文章目录
- 2.乐观锁和悲观锁详讲
- 2.1悲观锁
- 2.2乐观锁
- 2.3如何实现乐观锁
- 2.3.1版本号机制
- 2.3.2CAS算法
- 2.3.3CAS底层
- 2.4乐观锁存在的问题
- 2.4.1ABA问题
- （1）问题描述
- （2）解决
- 2.4.2循环时间长、开销大
- 2.4.3只能保证一个共享变量的原子操作
- 2.5总结
2.乐观锁和悲观锁详讲
2.1悲观锁
悲观锁总是假设最坏的情况，认为共享资源每次被访问的时候就会出现问题(比如共享数据被修改)，所以每次在获取资源操作的时候都会上锁，这样其他线程想拿到这个资源就会阻塞直到锁被上一个持有者释放。也就是说，共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程。
像 Java 中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现。
public void performSynchronisedTask() {synchronized (this) {// 需要同步的操作}
}private Lock lock = new ReentrantLock();
lock.lock();
try {// 需要同步的操作
} finally {lock.unlock();
}
高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销。并且，悲观锁还可能会存在死锁问题，影响代码的正常运行。
2.2乐观锁
乐观锁总是假设最好的情况，认为共享资源每次被访问的时候不会出现问题，线程可以不停地执行，无需加锁也无需等待，只是在提交修改的时候去验证对应的资源（也就是数据）是否被其它线程修改了（具体方法可以使用版本号机制或 CAS 算法）。
像 Java 中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类（比如AtomicInteger、LongAdder）就是使用了乐观锁的一种实现方式 CAS 实现的。
// LongAdder 在高并发场景下会比 AtomicInteger 和 AtomicLong 的性能更好
// 代价就是会消耗更多的内存空间（空间换时间）
LongAdder longAdder = new LongAdder();
// 自增
longAdder.increment();
// 获取结果
longAdder.sum();
高并发的场景下，乐观锁相比悲观锁来说，不存在锁竞争造成线程阻塞，也不会有死锁的问题，在性能上往往会更胜一筹。但是，如果冲突频繁发生（写占比非常多的情况），会频繁失败和重试（悲观锁的开销是固定的），这样同样会非常影响性能，导致 CPU 飙升
- 小结，从理论上来看
- 悲观锁通常多用于写比较多的情况下（多写场景，竞争激烈），这样可以避免频繁失败和重试影响性能，悲观锁的开销是固定的。不过，如果乐观锁解决了频繁失败和重试这个问题的话（比如
LongAdder），也是可以考虑使用乐观锁的，要视实际情况而定 - 乐观锁通常读多于写比较少的情况下（多读场景，竞争较少），这样可以避免频繁加锁影响性能。不过，乐观锁主要针对的对象是单个共享变量（参考
java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类）。
- 悲观锁通常多用于写比较多的情况下（多写场景，竞争激烈），这样可以避免频繁失败和重试影响性能，悲观锁的开销是固定的。不过，如果乐观锁解决了频繁失败和重试这个问题的话（比如
2.3如何实现乐观锁
乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现，CAS 算法相对来说更多一些，这里需要格外注意。
2.3.1版本号机制
一般是在数据表中加上一个数据版本号 version 字段，表示数据被修改的次数。当数据被修改时，version 值会加一。当线程 A 要更新数据值时，在读取数据的同时也会读取 version 值，在提交更新时，若刚才读取到的 version 值为当前数据库中的 version 值相等时才更新，否则重试更新操作，直到更新成功
举一个简单的例子：
- 假设数据库中帐户信息表中有一个
version字段，当前值为 1 ；而当前帐户余额字段（balance）为 $100 。 - 操作员 A 此时将其读出（
version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $50（ $100-$50 ）。 - 在操作员 A 操作的过程中，操作员 B 也读入此用户信息（
version=1 ），并从其帐户余额中扣除 $20 （ $100-$20 ）。 - 操作员 A 完成了修改工作，将数据版本号（
version=1 ），连同帐户扣除后余额（balance=$50 ），提交至数据库更新，此时由于提交数据版本等于数据库记录当前版本，数据被更新，数据库记录version更新为 2 。 - 操作员 B 完成了操作，也将版本号（
version=1 ）试图向数据库提交数据（balance=$80 ），但此时比对数据库记录版本时发现，操作员 B 提交的数据版本号为 1 ，数据库记录当前版本也为 2 ，不满足 “ 提交版本必须等于当前版本才能执行更新 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B 的提交被驳回。
2.3.2CAS算法
CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。
CAS 是一个原子操作，底层依赖于一条 CPU 的原子指令。
原子操作 即最小不可拆分的操作，也就是说操作一旦开始，就不能被打断，直到操作完成。
CAS 涉及到的三个操作数：
- V：要更新的变量值(Var)
- E：预期值(Expected)
- N：拟写入的新值(New)
当且仅当 V 的值等于 E 时，CAS 通过原子方式用新值 N 来更新 V 的值。如果不等，说明已经有其它线程更新了 V，则当前线程放弃更新。
-
举例：
- 线程 A 要修改变量 i 的值为 6，i 原值为 1（V = 原变量值（现在不一定为1），E=1，N=6，假设不存在 ABA 问题）
- V 与 E 进行比较，如果相等， 则说明没被其他线程修改，可以被设置为 6 。
- V与 E 进行比较，如果不相等，则说明被其他线程修改，当前线程放弃更新，CAS 操作失败。
-
当多个线程同时使用 CAS 操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。
-
Java 语言并没有直接实现 CAS，CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的（JNI 调用）。因此， CAS 的具体实现和操作系统以及 CPU 都有关系。
-
sun.misc包下的Unsafe类提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong方法来实现的对Object、int、long类型的 CAS 操作/*** CAS* @param o 包含要修改field的对象* @param offset 对象中某field的偏移量* @param expected 期望值* @param update 更新值* @return true | false*/ public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);
2.3.3CAS底层
2.4乐观锁存在的问题
ABA 问题是乐观锁最常见的问题。
2.4.1ABA问题
（1）问题描述
如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为 CAS 操作的 "ABA"问题。
（2）解决
ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上**版本号或者时间戳**。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的，其中的 compareAndSet() 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值
public boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference,int expectedStamp,int newStamp) {Pair<V> current = pair;returnexpectedReference == current.reference &&expectedStamp == current.stamp &&((newReference == current.reference &&newStamp == current.stamp) ||casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
2.4.2循环时间长、开销大
CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。
如果 JVM 能支持处理器提供的 pause 指令那么效率会有一定的提升，pause 指令有两个作用：
- 可以延迟流水线执行指令，使 CPU 不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。
- 可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 的执行效率
2.4.3只能保证一个共享变量的原子操作
CAS 只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时 CAS 无效。但是从 JDK 1.5 开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作.所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。
2.5总结
- 悲观锁适用读少写多的场景，乐观锁适用于读多写少的场景
- 乐观锁一般会使用版本号机制或 CAS 算法实现，CAS 算法相对来说更多一些
- CAS 的全称是 Compare And Swap（比较与交换） ，用于实现乐观锁，被广泛应用于各大框架中。CAS 的思想很简单，就是用一个预期值和要更新的变量值进行比较，两值相等才会进行更新。
- 乐观锁的问题：ABA 问题、循环时间长开销大、只能保证一个共享变量的原子操作。
