【笔记】程序中的乐观锁与悲观锁,以及动手实现乐观锁

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[笔记系列文章说明]: 该类型的文章是笔者学习过程中整理的学习笔记.

概念

这里抛开数据库来谈乐观锁和悲观锁,扯上数据库总会觉得和Java离得很远.

悲观锁: 一段执行逻辑加上悲观锁,不同线程同时执行时,只能有一个线程执行,其他的线程在入口处等待,直到锁被释放.

乐观锁: 一段执行逻辑加上乐观锁,不同线程同时执行时,可以同时进入执行,在最后更新数据的时候要检查这些数据是否被其他线程修改了(版本和执行初是否相同),没有修改则进行更新,否则放弃本次操作.

从解释上可以看出,悲观锁具有很强的独占性,也是最安全的.而乐观锁很开放,效率高,安全性比悲观锁低,因为在乐观锁检查数据版本一致性时也可能被其他线程修改数据.从下面的例子中可以看出来这里说的安全差别.

乐观锁例子

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package note.com;

/**
 * 乐观锁
 * 
 * 场景:有一个对象value,需要被两个线程调用,由于是共享数据,存在脏数据的问题
 * 悲观锁可以利用synchronized实现,这里不提.
 * 现在用乐观锁来解决这个脏数据问题
 * 
 * @author lxz
 *
 */
public class OptimisticLock {
    public static int value = 0; // 多线程同时调用的操作对象

    /**
     * A线程要执行的方法
     */
    public static void invoke(int Avalue, String i)
            throws InterruptedException {
        Thread.sleep(1000L);//延长执行时间
        if (Avalue != value) {//判断value版本
            System.out.println(Avalue + ":" + value + "A版本不一致,不执行");
            value--;
        } else {
            Avalue++;//对数据操作
            value = Avalue;;//对数据操作
            System.out.println(i + ":" + value);
        }
    }

    /**
     * B线程要执行的方法
     */
    public static void invoke2(int Bvalue, String i)
            throws InterruptedException {
        Thread.sleep(1000L);//延长执行时间
        if (Bvalue != value) {//判断value版本
            System.out.println(Bvalue + ":" + value + "B版本不一致,不执行");
        } else {
            System.out.println("B:利用value运算,value="+Bvalue);
        }
    }

    /**
     * 测试,期待结果:B线程执行的时候value数据总是当前最新的
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(new Runnable() {//A线程
            public void run() {
                try {
                    for (int i = 0; i < 3; i++) {
                        int Avalue = OptimisticLock.value;//A获取的value
                        OptimisticLock.invoke(Avalue, "A");
                    }

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {//B线程
            public void run() {
                try {
                    for (int i = 0; i < 3; i++) {
                        int Bvalue = OptimisticLock.value;//B获取的value
                        OptimisticLock.invoke2(Bvalue, "B");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

测试结果

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A:1
0:1B版本不一致,不执行
B:利用value运算,value=1
A:2
B:利用value运算,value=2
A:3
从结果中看出,B线程在执行的时候最后发现自己的value和执行前不一致,说明被A修改了,那么放弃了本次执行.

多运行几次发现了下面的结果:

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A:1
B:利用value运算,value=0
A:2
1:2B版本不一致,不执行
A:3
B:利用value运算,value=2

从结果看A修改了value值,B却没有检查出来,利用错误的value值进行了操作. 为什么会这样呢?

这里就回到前面说的乐观锁是有一定的不安全性的,B在检查版本的时候A还没有修改,在B检查完版本后更新数据前(例子中的输出语句),A更改了value值,这时B执行更新数据(例子中的输出语句)就发生了与现存value不一致的现象.

针对这个问题,我觉得乐观锁要解决这个问题还需要在检查版本(解决ABA问题)与更新数据这个操作的时候能够使用悲观锁,比如加上synchronized,让它在最后一步保证数据的一致性.这样既保证多线程都能同时执行,牺牲最后一点的性能去保证数据的一致.

ABA: 三个线程同时操作数值, 仅比较值是否和获取的相同无法保证,值未被修改C检查A+ B-后值未变,此时也应放弃操作才对
解决ABA: 操作前增加版本号对比

补充

以前不知道cas(比较-交换)这个在java中的存在,找了找资料才发现java的concurrent包确实使用的cas实现乐观锁的数据同步问题.
下面是我对这两种方式的一点看法:

有两种方式来保证乐观锁最后同步数据保证它原子性的方法
  1. CAS方式:Java非公开API类Unsafe实现的CAS(比较-交换),由C++编写的调用硬件操作内存,保证这个操作的原子性,concurrent包下很多乐观锁实现使用到这个类,但这个类不作为公开API使用,随时可能会被更改.我在本地测试了一下,确实不能够直接调用,源码中Unsafe是私有构造函数,只能通过getUnsafe方法获取单例,首先去掉eclipse的检查(非API的调用限制)限制以后,执行发现报 java.lang.SecurityException异常,源码中getUnsafe方法中执行访问检查,看来java不允许应用程序获取Unsafe类. 值得一提的是反射是可以得到这个类对象的.
  2. 加锁方式:利用Java提供的现有API来实现最后数据同步的原子性(用悲观锁).看似乐观锁最后还是用了悲观锁来保证安全,效率没有提高.实际上针对于大多数只执行不同步数据的情况,效率比悲观加锁整个方法要高.特别注意:针对一个对象的数据同步,悲观锁对这个对象加锁和乐观锁效率差不多,如果是多个需要同步数据的对象,乐观锁就比较方便.

扩展:利用反射获得Unsafe对象

第一步:去掉eclipse受限制的API检查:

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将Windows->Preferences->Java-Complicer->Errors/Warnings->Deprecated and restricted API，中的Forbidden references(access rules)设置为Warning，Unsafe可以编译通过。

第二步:利用反射跳过安全检查获取Unsafe对象:

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Class<Unsafe> s1  = (Class<Unsafe>) Class.forName("sun.misc.Unsafe");
Field u1 = s1.getDeclaredField("theUnsafe");//获得Unsafe的theUnsafe属性
u1.setAccessible(true);//获得private属性的可访问权限
Unsafe unsafe1 = (Unsafe) u1.get(null);//获得Class中属性对应的值
System.out.println(unsafe1.addressSize());//测试获取的Unsafe对象
//或者
Field u = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
u.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) u.get(null);  
System.out.println(unsafe.addressSize());//测试获取的Unsafe对象

关于Unsafe的使用方法给个参考地址,平时用不到,我没有去深入看.

地址:Java Magic. Part 4: sun.misc.Unsafe