乐观锁&悲观锁&自旋锁

乐观锁&悲观锁&自旋锁

一、悲观锁

总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（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）。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。

二、乐观锁

总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。

1.乐观锁常见的两种实现方式

2. 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：

1.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$

2.当需要对账户信息表进行更新的时候，需要首先读取version字段。

3.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 ）。
4. 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 ）。
5. 操作员 $A$完成了修改工作，提交更新之前会先看数据库的版本和自己读取到的版本是否一致，一致的话，就会将数据版本号加1（ $version=2$），连同帐户扣除后余额（ $balance=$50$ ），提交至数据库更新，
6.此时由于提交数据版本大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 $B$
7.完成了操作，提交更新之前会先看数据库的版本和自己读取到的版本是否一致，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 $2$
，而自己读取到的版本号为$1$ ，不满足 “ 当前最后更新的$version$与操作员第一次读取的版本号相等 “ 的乐观锁策略，因此，操作员 B的提交被驳回。
8.这样，就避免了操作员 $B$ 用基于 $version=1$ 的旧数据修改的结果覆盖操作员A 的操作结果的可能。

3. CAS算法

即compare and swap（比较与交换），是一种有名的无锁算法。无锁编程，即不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，也就是在没有线程被阻塞的情况下实现变量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三个操作数:

• 需要读写的内存值 V
• 进行比较的值 E
• 拟写入的新值 N

当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

1. 假如现在有两个线程$t1$,$t2$,他们各自的运行环境中都有共享变量的副本$V1$、$V2$，预期值$E1$、$E2$，预期主存中的值还没有被改变.
2. 假设现在在并发环境，并且$t1$先拿到了执行权限，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次发起尝试.
3. 然后$t1$比较预期值$E1$和主存中的$V$，发现$E1=V$，说明预期值是正确的，执行$N1=V1+1$，并将$N1$的值传入主存。这时候贮存中的$V=21$.
4. 然后$t2$又紧接着拿到了执行权，比较$E2$和主存$V$的值，由于$V$已经被$t1$改为21，所以$E2!=V$，$t2$线程将主存中已经改变的值更新到自己的副本中，再发起重试；
5. 直到预期值等于主存中的值，说明没有别的线程对旧值进行修改，继续执行代码，退出；

4. CAS缺点

1.循环时间太长；

自旋CAS（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，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,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。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

2.只能保证一个共享变量原子操作；

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。

3.会出现ABA问题；

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。

JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就提供了此种能力，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

四、乐观锁和悲观锁的使用场景

1.什么时候使用乐观锁？

资源提交冲突，其他使用方需要重新读取资源，会增加读的次数，但是可以面对高并发场景，前提是如果出现提交失败，用户是可以接受的。因此一般乐观锁只用在高并发、多读少写的场景。

其中：GIT,SVN,CVS等代码版本控制管理器，就是一个乐观锁使用很好的场景，例如：A、B程序员，同时从SVN服务器上下载了code.html文件，当A完成提交后，此时B再提交，那么会报版本冲突，此时需要B进行版本处理合并后，再提交到服务器。这其实就是乐观锁的实现全过程。如果此时使用的是悲观锁，那么意味者所有程序员都必须一个一个等待操作提交完，才能访问文件，这是难以接受的。

2.什么时候使用悲观锁？

一旦通过悲观锁锁定一个资源，那么其他需要操作该资源的使用方，只能等待直到锁被释放，好处在于可以减少并发，但是当并发量非常大的时候，由于锁消耗资源，并且可能锁定时间过长，容易导致系统性能下降，资源消耗严重。因此一般我们可以在并发量不是很大，并且出现并发情况导致的异常用户和系统都很难以接受的情况下，会选择悲观锁进行。

总结：
CAS（比较并交换）是CPU指令级的操作，只有一步原子操作，所以非常快。而且CAS避免了请求操作系统来裁定锁的问题，不需要进入内核，不需要切换线程，操作自旋几率较少，因此可以获得更高的性能不用麻烦操作系统，直接在CPU内部就搞定了

五、自旋锁

1. 何谓自旋锁？它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。
2. 其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。
3. 但是两者在调度机制上略有不同。
4. 对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。
5. 但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名

1.自旋锁的原理

1. 跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。
2. 如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；
3. 如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，一直去尝试获取锁，直到该自旋锁的保持者释放了锁。

2.自旋锁的缺陷

1. 死锁。试图递归地获得自旋锁必然会引起死锁：递归程序的持有实例在第二个实例循环，以试图获得相同自旋锁时，不会释放此自旋锁。在递归程序中使用自旋锁应遵守下列策略：递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己，也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。此外如果一个进程已经将资源锁定，那么，即使其它申请这个资源的进程不停地疯狂“自旋”,也无法获得资源，从而进入死循环。
2. 过多占用cpu资源。如果不加限制，由于申请锁的线程一直在循环等待，因此自旋锁在锁定的时候,如果不成功,不会睡眠,会持续的尝试,单cpu的时候自旋锁会让其它process动不了. 因此，一般自旋锁实现会有一个参数限定最多持续尝试次数. 超出后, 自旋锁放弃当前time slice. 等下一次机会。

3.自旋锁的使用场景

自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。

• 正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。
• 信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。
• 如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。
• 但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。
• 自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。