乐观锁与悲观锁

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乐观锁与悲观锁的概念

乐观锁

乐观锁(Optimistic Lock)L：总是假设最好的情况，“乐观地”假设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，可以使用版本号等机制。

乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。

在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式——CAS实现的。

悲观锁

悲观锁(Pessimistic Lock)：总是假设最坏的情况，“悲观地”认为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block（阻塞）直到它拿到锁。

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。

Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁思想的实现（JVM中synchronized的原理）。

乐观锁的实现

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。（避免了产生脏数据）

如果用在SQL中，语句大概为：

update table set x=x+1, version=version+1 where id=#{id} and version=#{version}; 

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：，数据所在的内存值、预期值、新值。当需要更新时，判断当前内存值与之前取到的值是否相等，若相等，则用新值更新，若失败则重试，一般情况下是一个自旋操作，即不断的重试。

优缺点

两种锁各有优缺点，不可认为一种好于另一种.

乐观锁适用于写比较少的情况下，即实际中冲突确实很少发生的时候，这样可以省去了锁的开销，加大了系统的整个吞吐量。如果经常产生冲突，上层应用会不断的进行retry，这样反倒是降低了性能，所以这种情况下用悲观锁就比较合适。

乐观锁的缺点

1. ABA问题：待处理的对象被多次操作后值与最初一致，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。
   
   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。

2. 循环时间长开销大:CAS操作如果长时间不成功，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

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。
   
   从JDK1.5开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。所以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（参考多线程部分的AtomicInteger）

CAS与synchronized的使用情景

1. CAS适用于写比较少的情况下（多读场景，冲突一般较少）
   
   对于资源竞争较少（线程冲突较轻）的情况，使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源；而CAS基于硬件实现，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。

2. synchronized适用于写比较多的情况下（多写场景，冲突一般较多）
   
   对于资源竞争严重、线程冲突严重的情况，CAS自旋的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。

synchronized的新特性

JavaSE 1.6之后进行了主要包括为了减少获得锁和释放锁带来的性能消耗而引入的偏向锁和轻量级锁，以及其它各种优化。synchronized的底层实现主要依靠Lock-Free的队列，基本思路是自旋后阻塞，竞争切换后继续竞争锁，稍微牺牲了公平性，但获得了高吞吐量。在线程冲突较少的情况下，可以获得和CAS类似的性能；而线程冲突严重的情况下，性能远高于CAS。