淺談樂觀鎖和悲觀鎖
概念
悲觀鎖(一種思想)
總是假設(shè)最壞的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人會修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個數(shù)據(jù)就會阻塞直到它拿到鎖（共享資源每次只給一個線程使用，其它線程阻塞，用完后再把資源轉(zhuǎn)讓給其它線程）。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫里邊就用到了很多這種鎖機(jī)制，比如行鎖，表鎖等，讀鎖，寫鎖等，都是在做操作之前先上鎖。再比如Java里面的同步原語synchronized關(guān)鍵字和ReentrantLock的實現(xiàn)也是悲觀鎖。
樂觀鎖(一種思想)
總是假設(shè)最好的情況，每次去拿數(shù)據(jù)的時候都認(rèn)為別人不會修改，所以不會上鎖，但是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個數(shù)據(jù)，可以使用版本號機(jī)制和CAS算法實現(xiàn)。樂觀鎖適用于多讀的應(yīng)用類型，這樣可以提高吞吐量，像數(shù)據(jù)庫提供的類似于write_condition機(jī)制，其實都是提供的樂觀鎖。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子變量類就是使用了樂觀鎖的一種實現(xiàn)方式CAS實現(xiàn)的
使用場景
從上面對兩種鎖的介紹，我們知道兩種鎖各有優(yōu)缺點，不可認(rèn)為一種好于另一種，像樂觀鎖適用于寫比較少的情況下（多讀場景），即沖突真的很少發(fā)生的時候，這樣可以省去了鎖的開銷，加大了系統(tǒng)的整個吞吐量。但如果是多寫的情況，一般會經(jīng)常產(chǎn)生沖突，這就會導(dǎo)致上層應(yīng)用會不斷的進(jìn)行retry，這樣反倒是降低了性能，所以一般多寫的場景下用悲觀鎖就比較合適。
樂觀鎖常見的兩種實現(xiàn)方式：
1.版本號機(jī)制
一般是在數(shù)據(jù)表中加上一個數(shù)據(jù)版本號version字段，表示數(shù)據(jù)被修改的次數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)被修改時，version值會加一。當(dāng)線程A要更新數(shù)據(jù)值時，在讀取數(shù)據(jù)的同時也會讀取version值，在提交更新時，若剛才讀取到的version值為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的version值相等時才更新，否則重試更新操作，直到更新成功。
舉一個簡單的例子：
假設(shè)數(shù)據(jù)庫中帳戶信息表中有一個 version 字段，當(dāng)前值為 1 ；而當(dāng)前帳戶余額字段（ balance ）為 100 。
操作員 A 此時將其讀出（ version=1 ），并從其帳戶余額中扣除 50（100-50 ）。
在操作員 A 操作的過程中，操作員B 也讀入此用戶信息（ version=1 ），并從其帳戶余額中扣20（100-$20 ）。
操作員 A 完成了修改工作，將數(shù)據(jù)版本號加一（ version=2 ），連同帳戶扣除后余額（ balance=50 ），提交至數(shù)據(jù)庫更新，此時由于提交數(shù)據(jù)版本大于數(shù)據(jù)庫記錄當(dāng)前版本，數(shù)據(jù)被更新，數(shù)據(jù)庫記錄 version 更新為 2 。
操作員 B 完成了操作，也將版本號加一（ version=2 ）試圖向數(shù)據(jù)庫提交數(shù)據(jù)（ balance=80 ），但此時比對數(shù)據(jù)庫記錄版本時發(fā)現(xiàn)，操作員 B 提交的數(shù)據(jù)版本號為 2 ，數(shù)據(jù)庫記錄當(dāng)前版本也為 2 ，不滿足 “ 提交版本必須大于記錄當(dāng)前版本才能執(zhí)行更新 “ 的樂觀鎖策略，因此，操作員 B 的提交被駁回。
這樣，就避免了操作員 B 用基于 version=1 的舊數(shù)據(jù)修改的結(jié)果覆蓋操作員A 的操作結(jié)果的可能。
2.CAS算法
即compare and swap（比較與交換），是一種有名的無鎖算法。無鎖編程，即不使用鎖的情況下實現(xiàn)多線程之間的變量同步，也就是在沒有線程被阻塞的情況下實現(xiàn)變量的同步，所以也叫非阻塞同步（Non-blocking Synchronization）。CAS算法涉及到三個操作數(shù) —— 需要讀寫的內(nèi)存位置（V）、進(jìn)行比較的預(yù)期原值（A）和擬寫入的新值(B)。當(dāng)且僅當(dāng) V 的值等于 A時，CAS通過原子方式用新值B來更新V的值，否則不會執(zhí)行任何操作（比較和替換是一個原子操作）。一般情況下是一個自旋操作，即不斷的重試。
樂觀鎖的缺點
1.ABA問題
如果一個變量V初次讀取的時候是A值，并且在準(zhǔn)備賦值的時候檢查到它仍然是A值，那我們就能說明它的值沒有被其他線程修改過了嗎？很明顯是不能的，因為在這段時間它的值可能被改為其他值，然后又改回A，那CAS操作就會誤認(rèn)為它從來沒有被修改過。這個問題被稱為CAS操作的 “ABA”問題。
JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 類就提供了此種能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。
2.循環(huán)時間長開銷大
自旋CAS（也就是不成功就一直循環(huán)執(zhí)行直到成功）如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。 如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會有一定的提升，pause指令有兩個作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執(zhí)行資源，延遲的時間取決于具體實現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。
3.只能保證一個共享變量的原子操作
CAS 只對單個共享變量有效，當(dāng)操作涉及跨多個共享變量時 CAS 無效。但是從 JDK 1.5開始，提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，你可以把多個變量放在一個對象里來進(jìn)行 CAS 操作.所以我們可以使用鎖或者利用AtomicReference類把多個共享變量合并成一個共享變量來操作。
CAS與synchronized的使用情景
1.對于資源競爭較少（線程沖突較輕）的情況，使用synchronized同步鎖進(jìn)行線程阻塞和喚醒切換以及用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)間的切換操作額外浪費消耗cpu資源；而CAS基于硬件實現(xiàn)，不需要進(jìn)入內(nèi)核，不需要切換線程，操作自旋幾率較少，因此可以獲得更高的性能。
2.對于資源競爭嚴(yán)重（線程沖突嚴(yán)重）的情況，CAS自旋的概率會比較大，從而浪費更多的CPU資源，效率低于synchronized。
補(bǔ)充
Java并發(fā)編程這個領(lǐng)域中synchronized關(guān)鍵字一直都是元老級的角色，很久之前很多人都會稱它為 “重量級鎖” 。但是，在JavaSE 1.6之后進(jìn)行了主要包括為了減少獲得鎖和釋放鎖帶來的性能消耗而引入的 偏向鎖 和 輕量級鎖 以及其它各種優(yōu)化之后變得在某些情況下并不是那么重了。synchronized的底層實現(xiàn)主要依靠 Lock-Free 的隊列，基本思路是 自旋后阻塞，競爭切換后繼續(xù)競爭鎖，稍微犧牲了公平性，但獲得了高吞吐量。在線程沖突較少的情況下，可以獲得和CAS類似的性能；而線程沖突嚴(yán)重的情況下，性能遠(yuǎn)高于CAS。
