面试官：你了解乐观锁和悲观锁吗？

向右看齐 2022-02-03 10:13 283阅读 0赞

![1240][]

## 前言 ##

乐观锁和悲观锁问题，是出现频率比较高的面试题。本文将由浅入深，逐步介绍它们的基本概念、实现方式(含实例)、适用场景，以及可能遇到的面试官追问，希望能够帮助你打动面试官。

## 目录 ##

一、基本概念  
二、实现方式(含实例)  
三、优缺点和适用场景  
四、面试官追问：乐观锁加锁吗？  
五、面试官追问：CAS有哪些缺点？  
六、总结

## 一、基本概念 ##

乐观锁和悲观锁是两种思想，用于解决并发场景下的数据竞争问题。

**乐观锁：**乐观锁在操作数据时非常乐观，认为别人不会同时修改数据。因此乐观锁不会上锁，只是在执行更新的时候判断一下在此期间别人是否修改了数据：如果别人修改了数据则放弃操作，否则执行操作。

**悲观锁：**悲观锁在操作数据时比较悲观，认为别人会同时修改数据。因此操作数据时直接把数据锁住，直到操作完成后才会释放锁；上锁期间其他人不能修改数据。

## 二、实现方式(含实例) ##

在说明实现方式之前，需要明确：**乐观锁和悲观锁是两种思想，它们的使用是非常广泛的，不局限于某种编程语言或数据库。**

悲观锁的实现方式是加锁，加锁既可以是对代码块加锁（如Java的synchronized关键字），也可以是对数据加锁（如MySQL中的排它锁）。

乐观锁的实现方式主要有两种：CAS机制和版本号机制，下面详细介绍。

### 1、CAS（Compare And Swap） ###

**CAS操作包括了3个操作数：**

*  需要读写的内存位置(V)
 *  进行比较的预期值(A)
 *  拟写入的新值(B)

CAS操作逻辑如下：如果内存位置V的值等于预期的A值，则将该位置更新为新值B，否则不进行任何操作。许多CAS的操作是自旋的：如果操作不成功，会一直重试，直到操作成功为止。

这里引出一个新的问题，既然CAS包含了Compare和Swap两个操作，它又如何保证原子性呢？答案是：CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬件层面进行保证的。

下面以Java中的自增操作(i++)为例，看一下悲观锁和CAS分别是如何保证线程安全的。我们知道，在Java中自增操作不是原子操作，它实际上包含三个独立的操作：

*  读取i值；
 *  加1；
 *  将新值写回i

因此，如果并发执行自增操作，可能导致计算结果的不准确。在下面的代码示例中：value1没有进行任何线程安全方面的保护，value2使用了乐观锁(CAS)，value3使用了悲观锁(synchronized)。

运行程序，使用1000个线程同时对value1、value2和value3进行自增操作，可以发现：value2和value3的值总是等于1000，而value1的值常常小于1000。

public class Test {
    
        //value1：线程不安全
        private static int value1 = 0;
        //value2：使用乐观锁
        private static AtomicInteger value2 = new AtomicInteger(0);
        //value3：使用悲观锁
        private static int value3 = 0;
        private static synchronized void increaseValue3(){
            value3++;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            //开启1000个线程，并执行自增操作
            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();
            }
            //打印结果
            Thread.sleep(1000);
            System.out.println("线程不安全：" + value1);
            System.out.println("乐观锁(AtomicInteger)：" + value2);
            System.out.println("悲观锁(synchronized)：" + value3);
        }
    }

首先来介绍AtomicInteger。AtomicInteger是java.util.concurrent.atomic包提供的原子类，利用CPU提供的CAS操作来保证原子性；除了AtomicInteger外，还有AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicReference等众多原子类。

下面看一下AtomicInteger的源码，了解下它的自增操作getAndIncrement()是如何实现的（源码以Java7为例，Java8有所不同，但思想类似）。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        //存储整数值，volatile保证可视性
        private volatile int value;
        //Unsafe用于实现对底层资源的访问
        private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    
        //valueOffset是value在内存中的偏移量
        private static final long valueOffset;
        //通过Unsafe获得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;
            }
        }
    }

源码分析说明如下：

1.getAndIncrement()实现的自增操作是自旋CAS操作：在循环中进行compareAndSet，如果执行成功则退出，否则一直执行。

2.其中compareAndSet是CAS操作的核心，它是利用Unsafe对象实现的。

3.Unsafe又是何许人也呢？**Unsafe是用来帮助Java访问操作系统底层资源的类**（如可以分配内存、释放内存），通过Unsafe，Java具有了底层操作能力，可以提升运行效率；强大的底层资源操作能力也带来了安全隐患(类的名字Unsafe也在提醒我们这一点)，因此正常情况下用户无法使用。AtomicInteger在这里使用了Unsafe提供的CAS功能。

4.**valueOffset可以理解为value在内存中的偏移量**，对应了CAS三个操作数(V/A/B)中的V；偏移量的获得也是通过Unsafe实现的。

5.value域的volatile修饰符：J**ava并发编程要保证线程安全，需要保证原子性、可视性和有序性；**CAS操作可以保证原子性，而volatile可以保证可视性和一定程度的有序性；在AtomicInteger中，volatile和CAS一起保证了线程安全性。关于volatile作用原理的说明涉及到Java内存模型(JMM)，这里不详细展开。

说完了AtomicInteger，再说synchronized。synchronized通过对代码块加锁来保证线程安全：在同一时刻，只能有一个线程可以执行代码块中的代码。**synchronized是一个重量级的操作，不仅是因为加锁需要消耗额外的资源，还因为线程状态的切换会涉及操作系统核心态和用户态的转换；**不过随着JVM对锁进行的一系列优化(如自旋锁、轻量级锁、锁粗化等)，synchronized的性能表现已经越来越好。

### 2、版本号机制 ###

除了CAS，版本号机制也可以用来实现乐观锁。版本号机制的基本思路是在数据中增加一个字段version，表示该数据的版本号，每当数据被修改，版本号加1。当某个线程查询数据时，将该数据的版本号一起查出来；当该线程更新数据时，判断当前版本号与之前读取的版本号是否一致，如果一致才进行操作。

> 需要注意的是，这里使用了版本号作为判断数据变化的标记，实际上可以根据实际情况选用其他能够标记数据版本的字段，如时间戳等。

下面以“更新玩家金币数”为例（数据库为MySQL，其他数据库同理），看看悲观锁和版本号机制是如何应对并发问题的。

考虑这样一种场景：游戏系统需要更新玩家的金币数，更新后的金币数依赖于当前状态(如金币数、等级等)，因此更新前需要先查询玩家当前状态。

下面的实现方式，没有进行任何线程安全方面的保护。如果有其他线程在query和update之间更新了玩家的信息，会导致玩家金币数的不准确。

@Transactional
    public void updateCoins(Integer playerId){
        //根据player_id查询玩家信息
        Player player = query("select coins, level from player where player_id = {0}", playerId);
        //根据玩家当前信息及其他信息，计算新的金币数
        Long newCoins = ……;
        //更新金币数
        update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
    }

为了避免这个问题，悲观锁通过加锁解决这个问题，代码如下所示。在查询玩家信息时，使用select …… for update进行查询；该查询语句会为该玩家数据加上排它锁，直到事务提交或回滚时才会释放排它锁；在此期间，如果其他线程试图更新该玩家信息或者执行select for update，会被阻塞。

@Transactional
    public void updateCoins(Integer playerId){
        //根据player_id查询玩家信息（加排它锁）
        Player player = queryForUpdate("select coins, level from player where player_id = {0} for update", playerId);
        //根据玩家当前信息及其他信息，计算新的金币数
        Long newCoins = ……;
        //更新金币数
        update("update player set coins = {0} where player_id = {1}", newCoins, playerId);
    }

版本号机制则是另一种思路，它为玩家信息增加一个字段：version。在初次查询玩家信息时，同时查询出version信息；在执行update操作时，校验version是否发生了变化，如果version变化，则不进行更新。

@Transactional
    public void updateCoins(Integer playerId){
        //根据player_id查询玩家信息，包含version信息
        Player player = query("select coins, level, version from player where player_id = {0}", playerId);
        //根据玩家当前信息及其他信息，计算新的金币数
        Long newCoins = ……;
        //更新金币数，条件中增加对version的校验
        update("update player set coins = {0} where player_id = {1} and version = {2}", newCoins, playerId, player.version);
    }

## 三、优缺点和适用场景 ##

乐观锁和悲观锁并没有优劣之分，它们有各自适合的场景；下面从两个方面进行说明。

### 1、功能限制 ###

与悲观锁相比，乐观锁适用的场景受到了更多的限制，无论是CAS还是版本号机制。

例如，CAS只能保证单个变量操作的原子性，当涉及到多个变量时，CAS是无能为力的，而synchronized则可以通过对整个代码块加锁来处理。再比如版本号机制，如果query的时候是针对表1，而update的时候是针对表2，也很难通过简单的版本号来实现乐观锁。

### 2、竞争激烈程度 ###

如果悲观锁和乐观锁都可以使用，那么选择就要考虑竞争的激烈程度：

**当竞争不激烈 (出现并发冲突的概率小)时**，乐观锁更有优势，因为悲观锁会锁住代码块或数据，其他线程无法同时访问，影响并发，而且加锁和释放锁都需要消耗额外的资源。

**当竞争激烈(出现并发冲突的概率大)时**，悲观锁更有优势，因为乐观锁在执行更新时频繁失败，需要不断重试，浪费CPU资源。

## 四、面试官追问：乐观锁加锁吗？ ##

笔者在面试时，曾遇到面试官如此追问。下面是我对这个问题的理解：

**1.乐观锁本身是不加锁的**，只是在更新时判断一下数据是否被其他线程更新了；AtomicInteger便是一个例子。

**2.有时乐观锁可能与加锁操作合作**，例如，在前述updateCoins()的例子中，MySQL在执行update时会加排它锁。但这只是乐观锁与加锁操作合作的例子，不能改变“乐观锁本身不加锁”这一事实。

## 五、面试官追问：CAS有哪些缺点？ ##

面试到这里，面试官可能已经中意你了。不过面试官准备对你发起最后的进攻：你知道CAS这种实现方式有什么缺点吗？

下面是CAS一些不那么完美的地方：

### 1、ABA问题 ###

假设有两个线程——线程1和线程2，两个线程按照顺序进行以下操作：

*  (1)线程1读取内存中数据为A；
 *  (2)线程2将该数据修改为B；
 *  (3)线程2将该数据修改为A；
 *  (4)线程1对数据进行CAS操作

在第(4)步中，由于内存中数据仍然为A，因此CAS操作成功，但实际上该数据已经被线程2修改过了。这就是ABA问题。

在AtomicInteger的例子中，ABA似乎没有什么危害。但是在某些场景下，ABA却会带来隐患，例如栈顶问题：一个栈的栈顶经过两次(或多次)变化又恢复了原值，但是栈可能已发生了变化。

对于ABA问题，比较有效的方案是引入版本号，内存中的值每发生一次变化，版本号都+1；在进行CAS操作时，不仅比较内存中的值，也会比较版本号，只有当二者都没有变化时，CAS才能执行成功。Java中的AtomicStampedReference类便是使用版本号来解决ABA问题的。

### 2、高竞争下的开销问题 ###

在并发冲突概率大的高竞争环境下，如果CAS一直失败，会一直重试，CPU开销较大。针对这个问题的一个思路是引入退出机制，如重试次数超过一定阈值后失败退出。当然，更重要的是避免在高竞争环境下使用乐观锁。

### 3、功能限制 ###

CAS的功能是比较受限的，例如CAS只能保证单个变量（或者说单个内存值）操作的原子性，这意味着：(1)原子性不一定能保证线程安全，例如在Java中需要与volatile配合来保证线程安全；(2)当涉及到多个变量(内存值)时，CAS也无能为力。

除此之外，CAS的实现需要硬件层面处理器的支持，在Java中普通用户无法直接使用，只能借助atomic包下的原子类使用，灵活性受到限制。

## 六、总结 ##

本文介绍了乐观锁和悲观锁的基本概念、实现方式(含实例)、适用场景，以及可能遇到的面试官追问，希望能够对你面试有帮助。最后，祝大家都拿到心仪的offer！

***扩展阅读***

[Redis 分布式锁：乐观锁的实现，以秒杀系统为例][Redis]

[基于redis的分布式锁的分析与实践][redis]

[关于Java锁机制面试官会怎么问][Java]

[Java读写锁实现原理][Java 1]

[彻底理解Netty，这一篇文章就够了][Netty]

作者：编程迷思

来源：https://www.cnblogs.com/kismetv/p/10787228.html

![1240 1][]

[1240]: /images/20220203/7f66483839b24caa8eec8c7221f04edc.png
[Redis]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5NTAzNjM0Mw==&mid=2247484773&idx=3&sn=8c91e011f53544a9d85a4c5ee632a6e2&chksm=fe7954bdc90eddabf4fac86281df1af2393baa71cd8313ad46217f5f2419c5bf872b6c0c9e26&scene=21#wechat_redirect
[redis]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5NTAzNjM0Mw==&mid=2247486533&idx=1&sn=d869cdfad8eb44bc823bab979da4f79c&chksm=fe795d9dc90ed48b47713ab40806ae3586d2b99d1e0a38aa0846bef4f5bac6190ab518d62414&scene=21#wechat_redirect
[Java]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5NTAzNjM0Mw==&mid=2247485726&idx=1&sn=f9f9f90897d58731e2948542496bbb85&chksm=fe7958c6c90ed1d0905da477d17e35c1ec6bd729d5911fdf60f0ebda846a4a50133141255146&scene=21#wechat_redirect
[Java 1]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5NTAzNjM0Mw==&mid=2247485545&idx=1&sn=116198dcb44c6c76a6ebd52c3e12b84e&chksm=fe7959b1c90ed0a792eb11b4628ac247ef537ff37cd3c94878ca58848df45116e791df975a2a&scene=21#wechat_redirect
[Netty]: http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzU5NTAzNjM0Mw==&mid=2247486545&idx=1&sn=cbc1b3d498e7b898ff8004b10efe4c50&chksm=fe795d89c90ed49f7fbb034f5b81c97418aa602c54658b5d5bbe60c69db7960363c8c422a110&scene=21#wechat_redirect
[1240 1]: /images/20220203/693d4de3916b4b78ba99969812a93e94.png