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。
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：1、需要读写的内存位置(V) 2、进行比较的预期值(A)
3、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：(1)读取i值;(2)加1;(3)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。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 |
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)。
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 |
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：Java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。
三、优缺点和适用场景
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?
在面试时，会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?
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。
更多关于“java培训”的问题，欢迎咨询千锋教育在线名师。千锋教育多年办学，课程大纲紧跟企业需求，更科学更严谨，每年培养泛IT人才近2万人。不论你是零基础还是想提升，都可以找到适合的班型，千锋教育随时欢迎你来试听。
京公网安备 11010802030320号