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作者：程式設計迷思（本文來自作者投稿）
前言
樂觀鎖和悲觀鎖問題，是出現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、實現方式(含實體)、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，用於解決併發場景下的資料競爭問題。
- 樂觀鎖：樂觀鎖在運算元據時非常樂觀，認為別人不會同時修改資料。因此樂觀鎖不會上鎖，只是在執行更新的時候判斷一下在此期間別人是否修改了資料：如果別人修改了資料則放棄操作，否則執行操作。
- 悲觀鎖：悲觀鎖在運算元據時比較悲觀，認為別人會同時修改資料。因此運算元據時直接把資料鎖住，直到操作完成後才會釋放鎖；上鎖期間其他人不能修改資料。
二、實現方式(含實體)
在說明實現方式之前，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，不侷限於某種程式語言或資料庫。
悲觀鎖的實現方式是加鎖，加鎖既可以是對程式碼塊加鎖（如Java的synchronized關鍵字），也可以是對資料加鎖（如MySQL中的排它鎖）。
樂觀鎖的實現方式主要有兩種：CAS機制和版本號機制，下麵詳細介紹。
1、CAS（Compare And Swap）
CAS操作包括了3個運算元：
- 需要讀寫的記憶體位置(V)
- 進行比較的預期值(A)
- 擬寫入的新值(B)
CAS操作邏輯如下：如果記憶體位置V的值等於預期的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。
這裡引出一個新的問題，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支援的原子操作，其原子性是在硬體層面進行保證的。
下麵以Java中的自增操作(i++)為例，看一下悲觀鎖和CAS分別是如何保證執行緒安全的。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，如果併發執行自增操作，可能導致計算結果的不準確。在下麵的程式碼示例中：value1沒有進行任何執行緒安全方面的保護，value2使用了樂觀鎖(CAS)，value3使用了悲觀鎖(synchronized)。執行程式，使用1000個執行緒同時對value1、value2和value3進行自增操作，可以發現：value2和value3的值總是等於1000，而value1的值常常小於1000。
public class Test {
//value1：執行緒不安全
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個執行緒，並執行自增操作
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();
}
//列印結果
Thread.sleep(1000);
System.out.println("執行緒不安全：" + 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。
下麵看一下AtomicInteger的原始碼，瞭解下它的自增操作getAndIncrement()是如何實現的（原始碼以Java7為例，Java8有所不同，但思想類似）。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
//儲存整數值，volatile保證可視性
private volatile int value;
//Unsafe用於實現對底層資源的訪問
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//valueOffset是value在記憶體中的偏移量
private static final long valueOffset;
//透過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;
}
}
}
原始碼分析說明如下：
- getAndIncrement()實現的自增操作是自旋CAS操作：在迴圈中進行compareAndSet，如果執行成功則退出，否則一直執行。
- 其中compareAndSet是CAS操作的核心，它是利用Unsafe物件實現的。
- Unsafe又是何許人也呢？Unsafe是用來幫助Java訪問作業系統底層資源的類（如可以分配記憶體、釋放記憶體），透過Unsafe，Java具有了底層操作能力，可以提升執行效率；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)，因此正常情況下使用者無法使用。AtomicInteger在這裡使用了Unsafe提供的CAS功能。
- valueOffset可以理解為value在記憶體中的偏移量，對應了CAS三個運算元(V/A/B)中的V；偏移量的獲得也是透過Unsafe實現的。
- value域的volatile修飾符：Java併發程式設計要保證執行緒安全，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一起保證了執行緒安全性。關於volatile作用原理的說明涉及到Java記憶體模型(JMM)，這裡不詳細展開。
說完了AtomicInteger，再說synchronized。synchronized透過對程式碼塊加鎖來保證執行緒安全：在同一時刻，只能有一個執行緒可以執行程式碼塊中的程式碼。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，還因為執行緒狀態的切換會涉及作業系統核心態和使用者態的轉換；不過隨著JVM對鎖進行的一系列最佳化(如自旋鎖、輕量級鎖、鎖粗化等)，synchronized的效能表現已經越來越好。
2、版本號機制
除了CAS，版本號機制也可以用來實現樂觀鎖。版本號機制的基本思路是在資料中增加一個欄位version，表示該資料的版本號，每當資料被修改，版本號加1。當某個執行緒查詢資料時，將該資料的版本號一起查出來；當該執行緒更新資料時，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。
需要註意的是，這裡使用了版本號作為判斷資料變化的標記，實際上可以根據實際情況選用其他能夠標記資料版本的欄位，如時間戳等。
下麵以“更新玩家金幣數”為例（資料庫為MySQL，其他資料庫同理），看看悲觀鎖和版本號機制是如何應對併發問題的。
考慮這樣一種場景：遊戲系統需要更新玩家的金幣數，更新後的金幣數依賴於當前狀態(如金幣數、等級等)，因此更新前需要先查詢玩家當前狀態。
下麵的實現方式，沒有進行任何執行緒安全方面的保護。如果有其他執行緒在query和update之間更新了玩家的資訊，會導致玩家金幣數的不準確。
@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
//根據player_id查詢玩家資訊
Player player = query("select coins, level from player where player_id = {0}", playerId);
//根據玩家當前資訊及其他資訊，計算新的金幣數
Long newCoins = ……;
//更新金幣數
update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
}
為了避免這個問題，悲觀鎖透過加鎖解決這個問題，程式碼如下所示。在查詢玩家資訊時，使用select …… for update進行查詢；該查詢陳述句會為該玩家資料加上排它鎖，直到事務提交或回滾時才會釋放排它鎖；在此期間，如果其他執行緒試圖更新該玩家資訊或者執行select for update，會被阻塞。
@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
//根據player_id查詢玩家資訊（加排它鎖）
Player player = queryForUpdate("select coins, level from player where player_id = {0} for update", playerId);
//根據玩家當前資訊及其他資訊，計算新的金幣數
Long newCoins = ……;
//更新金幣數
update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
}
版本號機制則是另一種思路，它為玩家資訊增加一個欄位：version。在初次查詢玩家資訊時，同時查詢出version資訊；在執行update操作時，校驗version是否發生了變化，如果version變化，則不進行更新。
@Transactional
public void updateCoins(Integer playerId){
//根據player_id查詢玩家資訊，包含version資訊
Player player = query("select coins, level, version from player where player_id = {0}", playerId);
//根據玩家當前資訊及其他資訊，計算新的金幣數
Long newCoins = ……;
//更新金幣數，條件中增加對version的校驗
update("update player set coins = {0} where player_id = {1} and version = {2}", newCoins, playerId, player.version);
}
三、優缺點和適用場景
樂觀鎖和悲觀鎖並沒有優劣之分，它們有各自適合的場景；下麵從兩個方面進行說明。
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只能保證單個變數操作的原子性，當涉及到多個變數時，CAS是無能為力的，而synchronized則可以透過對整個程式碼塊加鎖來處理。再比如版本號機制，如果query的時候是針對錶1，而update的時候是針對錶2，也很難透過簡單的版本號來實現樂觀鎖。
2、競爭激烈程度
如果悲觀鎖和樂觀鎖都可以使用，那麼選擇就要考慮競爭的激烈程度：
- 當競爭不激烈 (出現併發衝突的機率小)時，樂觀鎖更有優勢，因為悲觀鎖會鎖住程式碼塊或資料，其他執行緒無法同時訪問，影響併發，而且加鎖和釋放鎖都需要消耗額外的資源。
- 當競爭激烈(出現併發衝突的機率大)時，悲觀鎖更有優勢，因為樂觀鎖在執行更新時頻繁失敗，需要不斷重試，浪費CPU資源。
四、面試官追問：樂觀鎖加鎖嗎？
筆者在面試時，曾遇到面試官如此追問。下麵是我對這個問題的理解：
- 樂觀鎖本身是不加鎖的，只是在更新時判斷一下資料是否被其他執行緒更新了；AtomicInteger便是一個例子。
- 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在執行update時會加排它鎖。但這隻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？
面試到這裡，面試官可能已經中意你了。不過面試官準備對你發起最後的進攻：你知道CAS這種實現方式有什麼缺點嗎？
下麵是CAS一些不那麼完美的地方：
1、ABA問題
假設有兩個執行緒——執行緒1和執行緒2，兩個執行緒按照順序進行以下操作：
- 執行緒1讀取記憶體中資料為A；
- 執行緒2將該資料修改為B；
- 執行緒2將該資料修改為A；
- 執行緒1對資料進行CAS操作
在第(4)步中，由於記憶體中資料仍然為A，因此CAS操作成功，但實際上該資料已經被執行緒2修改過了。這就是ABA問題。
在AtomicInteger的例子中，ABA似乎沒有什麼危害。但是在某些場景下，ABA卻會帶來隱患，例如棧頂問題：一個棧的棧頂經過兩次(或多次)變化又恢復了原值，但是棧可能已發生了變化。
對於ABA問題，比較有效的方案是引入版本號，記憶體中的值每發生一次變化，版本號都+1；在進行CAS操作時，不僅比較記憶體中的值，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
在併發衝突機率大的高競爭環境下，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，如重試次數超過一定閾值後失敗退出。當然，更重要的是避免在高競爭環境下使用樂觀鎖。
3、功能限制
CAS的功能是比較受限的，例如CAS只能保證單個變數（或者說單個記憶體值）操作的原子性，這意味著：(1)原子性不一定能保證執行緒安全，例如在Java中需要與volatile配合來保證執行緒安全；(2)當涉及到多個變數(記憶體值)時，CAS也無能為力。
除此之外，CAS的實現需要硬體層面處理器的支援，在Java中普通使用者無法直接使用，只能藉助atomic包下的原子類使用，靈活性受到限制。
六、總結
本文介紹了樂觀鎖和悲觀鎖的基本概念、實現方式(含實體)、適用場景，以及可能遇到的面試官追問，希望能夠對你面試有幫助。最後，祝大家都拿到心儀的offer！
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