樂觀鎖和悲觀鎖問題，是出現(xiàn)頻率比較高的面試題。本文將由淺入深，逐步介紹它們的基本概念、實現(xiàn)方式(含實例)、適用場景，以及可能遇到的面試官追問，希望能夠幫助你打動面試官。
一、基本概念
樂觀鎖和悲觀鎖是兩種思想，用于解決并發(fā)場景下的數(shù)據(jù)競爭問題。
· 樂觀鎖：樂觀鎖在操作數(shù)據(jù)時非常樂觀，認為別人不會同時修改數(shù)據(jù)。因此樂觀鎖不會上鎖，只是在執(zhí)行更新的時候判斷一下在此期間別人是否修改了數(shù)據(jù)：如果別人修改了數(shù)據(jù)則放棄操作，否則執(zhí)行操作。
· 悲觀鎖：悲觀鎖在操作數(shù)據(jù)時比較悲觀，認為別人會同時修改數(shù)據(jù)。因此操作數(shù)據(jù)時直接把數(shù)據(jù)鎖住，直到操作完成后才會釋放鎖;上鎖期間其他人不能修改數(shù)據(jù)。
二、實現(xiàn)方式(含實例)
在說明實現(xiàn)方式之前，需要明確：樂觀鎖和悲觀鎖是兩種思想，它們的使用是非常廣泛的，不局限于某種編程語言或數(shù)據(jù)庫。
悲觀鎖的實現(xiàn)方式是加鎖，加鎖既可以是對代碼塊加鎖(如Java的synchronized關(guān)鍵字)，也可以是對數(shù)據(jù)加鎖(如MySQL中的排它鎖)。
樂觀鎖的實現(xiàn)方式主要有兩種：CAS機制和版本號機制，下面詳細介紹。
1、CAS(Compare And Swap)
CAS操作包括了3個操作數(shù)：1、需要讀寫的內(nèi)存位置(V) 2、進行比較的預期值(A)
3、擬寫入的新值(B)
CAS操作邏輯如下：如果內(nèi)存位置V的值等于預期的A值，則將該位置更新為新值B，否則不進行任何操作。許多CAS的操作是自旋的：如果操作不成功，會一直重試，直到操作成功為止。
這里引出一個新的問題，既然CAS包含了Compare和Swap兩個操作，它又如何保證原子性呢?答案是：CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬件層面進行保證的。
下面以Java中的自增操作(i++)為例，看一下悲觀鎖和CAS分別是如何保證線程安全的。我們知道，在Java中自增操作不是原子操作，它實際上包含三個獨立的操作：(1)讀取i值;(2)加1;(3)將新值寫回i
因此，如果并發(fā)執(zhí)行自增操作，可能導致計算結(jié)果的不準確。在下面的代碼示例中：value1沒有進行任何線程安全方面的保護，value2使用了樂觀鎖(CAS)，value3使用了悲觀鎖(synchronized)。運行程序，使用1000個線程同時對value1、value2和value3進行自增操作，可以發(fā)現(xiàn)：value2和value3的值總是等于1000，而value1的值常常小于1000。
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public class Test {
//value1：線程不安全 private static int value1 = 0; //value2：使用樂觀鎖 private static AtomicInteger value2 = new AtomicInteger(0); //value3：使用悲觀鎖 private static int value3 = 0; private static synchronized void increaseValue3(){ value3++; }
public static void main(String[] args) throws Exception { //開啟1000個線程，并執(zhí)行自增操作 for(int i = 0; i < 1000; ++i){ new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } value1++; value2.getAndIncrement(); increaseValue3(); } }).start(); } //打印結(jié)果 Thread.sleep(1000); System.out.println("線程不安全：" + value1); System.out.println("樂觀鎖(AtomicInteger)：" + value2); System.out.println("悲觀鎖(synchronized)：" + value3); } } |
首先來介紹AtomicInteger。AtomicInteger是java.util.concurrent.atomic包提供的原子類，利用CPU提供的CAS操作來保證原子性;除了AtomicInteger外，還有AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicReference等眾多原子類。
下面看一下AtomicInteger的源碼，了解下它的自增操作getAndIncrement()是如何實現(xiàn)的(源碼以Java7為例，Java8有所不同，但思想類似)。
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public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { //存儲整數(shù)值，volatile保證可視性 private volatile int value; //Unsafe用于實現(xiàn)對底層資源的訪問 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//valueOffset是value在內(nèi)存中的偏移量 private static final long valueOffset; //通過Unsafe獲得valueOffset static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } }
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }
public final int getAndIncrement() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return current; } } |
源碼分析說明如下：
(1)getAndIncrement()實現(xiàn)的自增操作是自旋CAS操作：在循環(huán)中進行compareAndSet，如果執(zhí)行成功則退出，否則一直執(zhí)行。
(2)其中compareAndSet是CAS操作的核心，它是利用Unsafe對象實現(xiàn)的。
(3)Unsafe又是何許人也呢?Unsafe是用來幫助Java訪問操作系統(tǒng)底層資源的類(如可以分配內(nèi)存、釋放內(nèi)存)，通過Unsafe，Java具有了底層操作能力，可以提升運行效率;強大的底層資源操作能力也帶來了安全隱患(類的名字Unsafe也在提醒我們這一點)，因此正常情況下用戶無法使用。AtomicInteger在這里使用了Unsafe提供的CAS功能。
(4)valueOffset可以理解為value在內(nèi)存中的偏移量，對應了CAS三個操作數(shù)(V/A/B)中的V;偏移量的獲得也是通過Unsafe實現(xiàn)的。
(5)value域的volatile修飾符：Java并發(fā)編程要保證線程安全，需要保證原子性、可視性和有序性;CAS操作可以保證原子性，而volatile可以保證可視性和一定程度的有序性;在AtomicInteger中，volatile和CAS一起保證了線程安全性。關(guān)于volatile作用原理的說明涉及到Java內(nèi)存模型(JMM)，這里不詳細展開。
說完了AtomicInteger，再說synchronized。synchronized通過對代碼塊加鎖來保證線程安全：在同一時刻，只能有一個線程可以執(zhí)行代碼塊中的代碼。synchronized是一個重量級的操作，不僅是因為加鎖需要消耗額外的資源，還因為線程狀態(tài)的切換會涉及操作系統(tǒng)核心態(tài)和用戶態(tài)的轉(zhuǎn)換;不過隨著JVM對鎖進行的一系列優(yōu)化(如自旋鎖、輕量級鎖、鎖粗化等)，synchronized的性能表現(xiàn)已經(jīng)越來越好。
2、版本號機制
除了CAS，版本號機制也可以用來實現(xiàn)樂觀鎖。版本號機制的基本思路是在數(shù)據(jù)中增加一個字段version，表示該數(shù)據(jù)的版本號，每當數(shù)據(jù)被修改，版本號加1。當某個線程查詢數(shù)據(jù)時，將該數(shù)據(jù)的版本號一起查出來;當該線程更新數(shù)據(jù)時，判斷當前版本號與之前讀取的版本號是否一致，如果一致才進行操作。
需要注意的是，這里使用了版本號作為判斷數(shù)據(jù)變化的標記，實際上可以根據(jù)實際情況選用其他能夠標記數(shù)據(jù)版本的字段，如時間戳等。
三、優(yōu)缺點和適用場景
1、功能限制
與悲觀鎖相比，樂觀鎖適用的場景受到了更多的限制，無論是CAS還是版本號機制。
例如，CAS只能保證單個變量操作的原子性，當涉及到多個變量時，CAS是無能為力的，而synchronized則可以通過對整個代碼塊加鎖來處理。再比如版本號機制，如果query的時候是針對表1，而update的時候是針對表2，也很難通過簡單的版本號來實現(xiàn)樂觀鎖。
2、競爭激烈程度
如果悲觀鎖和樂觀鎖都可以使用，那么選擇就要考慮競爭的激烈程度：
當競爭不激烈 (出現(xiàn)并發(fā)沖突的概率小)時，樂觀鎖更有優(yōu)勢，因為悲觀鎖會鎖住代碼塊或數(shù)據(jù)，其他線程無法同時訪問，影響并發(fā)，而且加鎖和釋放鎖都需要消耗額外的資源。
當競爭激烈(出現(xiàn)并發(fā)沖突的概率大)時，悲觀鎖更有優(yōu)勢，因為樂觀鎖在執(zhí)行更新時頻繁失敗，需要不斷重試，浪費CPU資源。
四、面試官追問：樂觀鎖加鎖嗎?
在面試時，會遇到面試官如此追問。下面是我對這個問題的理解：
(1)樂觀鎖本身是不加鎖的，只是在更新時判斷一下數(shù)據(jù)是否被其他線程更新了;AtomicInteger便是一個例子。
(2)有時樂觀鎖可能與加鎖操作合作，例如，在前述updateCoins()的例子中，MySQL在執(zhí)行update時會加排它鎖。但這只是樂觀鎖與加鎖操作合作的例子，不能改變“樂觀鎖本身不加鎖”這一事實。
五、面試官追問：CAS有哪些缺點?
面試到這里，面試官可能已經(jīng)中意你了。不過面試官準備對你發(fā)起最后的進攻：你知道CAS這種實現(xiàn)方式有什么缺點嗎?
1、ABA問題
假設有兩個線程——線程1和線程2，兩個線程按照順序進行以下操作：
(1)線程1讀取內(nèi)存中數(shù)據(jù)為A;
(2)線程2將該數(shù)據(jù)修改為B;
(3)線程2將該數(shù)據(jù)修改為A;
(4)線程1對數(shù)據(jù)進行CAS操作
在第(4)步中，由于內(nèi)存中數(shù)據(jù)仍然為A，因此CAS操作成功，但實際上該數(shù)據(jù)已經(jīng)被線程2修改過了。這就是ABA問題。
在AtomicInteger的例子中，ABA似乎沒有什么危害。但是在某些場景下，ABA卻會帶來隱患，例如棧頂問題：一個棧的棧頂經(jīng)過兩次(或多次)變化又恢復了原值，但是棧可能已發(fā)生了變化。
對于ABA問題，比較有效的方案是引入版本號，內(nèi)存中的值每發(fā)生一次變化，版本號都+1;在進行CAS操作時，不僅比較內(nèi)存中的值，也會比較版本號，只有當二者都沒有變化時，CAS才能執(zhí)行成功。Java中的AtomicStampedReference類便是使用版本號來解決ABA問題的。
2、高競爭下的開銷問題
在并發(fā)沖突概率大的高競爭環(huán)境下，如果CAS一直失敗，會一直重試，CPU開銷較大。針對這個問題的一個思路是引入退出機制，如重試次數(shù)超過一定閾值后失敗退出。當然，更重要的是避免在高競爭環(huán)境下使用樂觀鎖。
3、功能限制
CAS的功能是比較受限的，例如CAS只能保證單個變量(或者說單個內(nèi)存值)操作的原子性，這意味著：(1)原子性不一定能保證線程安全，例如在Java中需要與volatile配合來保證線程安全;(2)當涉及到多個變量(內(nèi)存值)時，CAS也無能為力。
除此之外，CAS的實現(xiàn)需要硬件層面處理器的支持，在Java中普通用戶無法直接使用，只能借助atomic包下的原子類使用，靈活性受到限制。
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