乐观锁、悲观锁详解

引言

悲观锁和乐观锁是两种常见的并发控制机制，用于处理多线程或多进程环境中的数据访问冲突问题。它们在数据库系统、分布式系统和多线程编程中都有广泛应用。这篇文章我们来分析它们的原理以及使用场景。

悲观锁

1、定义

悲观锁（Pessimistic Lock）是一种假设冲突会频繁发生的锁机制。每次数据访问时，都会先加锁，直到操作完成后才释放锁，这样可以确保在锁持有期间，其他线程无法访问这段数据，从而避免了并发冲突。

2、实现方式

2.1 数据库实现方式：

在数据库中，悲观锁通常通过SQL语句实现，例如SELECT … FOR UPDATE。

2.2 编程语言实现方式

在编程语言中，悲观锁可以使用互斥锁（Mutex）或同步块（Synchronized Block）来实现。

3、应用场景

适用于对数据并发冲突非常敏感的场景，例如银行转账操作、库存扣减等需要严格数据一致性的操作。

4、优缺点

• 优点：可以完全避免并发冲突，保证数据的一致性和完整性。
• 缺点：由于每次访问数据都需要加锁和解锁，会导致性能开销较大，特别是在并发量高的情况下，容易造成锁竞争和死锁问题。

5、示例

下面我们用 Java + MySQL 展示了一个悲观锁的具体实现。

假设有一个银行账户表（Account），包含账户 ID和余额两个字段，我们希望在更新账户余额时使用悲观锁，以确保数据的一致性。

整个运行流程分为以下4个步骤：

1. 获取账户信息并锁定记录（SELECT … FOR UPDATE）。
2. 计算新的余额。
3. 更新账户信息。
4. 由于使用了@Transactional注解，整个方法执行在一个事务中，确保在事务提交之前，锁定的记录不会被其他事务修改。

5.1 数据库表结构

CREATE TABLE Account (
    id INT PRIMARY KEY,
    balance DECIMAL(10, 2) NOT NULL
);

5.2 Java实现代码示例

5.2.1 Account类

public class Account {
    private int id;
    private BigDecimal balance;

    // Getters and Setters
}

5.2.2 AccountMapper接口

public interface AccountMapper {
    Account getAccountByIdForUpdate(int id);
    void updateAccount(Account account);
}

5.2.3 AccountMapper的SQL实现

<mapper namespace="com.example.AccountMapper">
    <select id="getAccountByIdForUpdate" resultType="com.example.Account">
        SELECT id, balance FROM Account WHERE id = #{id} FOR UPDATE
    </select>

    <update id="updateAccount">
        UPDATE Account
        SET balance = #{balance}
        WHERE id = #{id}
    </update>
</mapper>

5.2.4 AccountService类

import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;

public class AccountService {

    private AccountMapper accountMapper;

    public AccountService(AccountMapper accountMapper) {
        this.accountMapper = accountMapper;
    }

    @Transactional
    public void updateAccountBalance(int accountId, BigDecimal amount) {
        // 获取账户信息并锁定记录
        Account account = accountMapper.getAccountByIdForUpdate(accountId);
        if (account == null) {
            throw new RuntimeException("Account not found");
        }

        // 更新余额
        account.setBalance(account.getBalance().add(amount));

        // 更新账户信息
        accountMapper.updateAccount(account);
    }
}

5.2.5 示例说明

1. Account类：包含账户ID和余额的Java类。
2. AccountMapper接口：定义了获取账户信息（带锁定）和更新账户信息的方法。
3. AccountMapper的SQL实现：使用MyBatis或其他ORM框架，定义了SQL查询和更新语句。注意在查询语句中使用FOR
   UPDATE来锁定记录。
4. AccountService类：业务逻辑类，在更新账户余额时，先获取当前账户信息并锁定记录，然后更新余额并提交更新。

这种机制确保了在操作完成之前，其他线程无法修改锁定的记录，从而实现了悲观锁的并发控制。

5.2.6 注意事项

1. 事务管理：使用悲观锁时，需要确保在事务提交之前锁不会被释放，因此必须在事务中使用。
2. 死锁风险：悲观锁可能会导致死锁，需要特别注意死锁检测和处理。
3. 性能影响：由于每次操作都需要加锁和解锁，性能可能会受到影响，特别是在高并发情况下。

通过了解悲观锁的具体实现，可以在需要严格数据一致性的场景中有效地避免并发冲突。

乐观锁

1、定义

乐观锁（Optimistic Lock）是一种假设冲突不会频繁发生的锁机制。每次数据访问时，不会加锁，而是在更新数据时检查是否有其他线程修改过数据。如果检测到冲突（数据被其他线程修改过），则重试操作或报错。

2、实现方式

• 版本号机制：每次读取数据时，读取一个版本号，更新数据时，检查版本号是否变化，如果没有变化，则更新成功，否则重试。
• 时间戳机制：类似版本号机制，通过时间戳来检测数据是否被修改。

3、应用场景

适用于读多写少的场景，例如用户评论系统、社交媒体点赞等，这些场景下并发冲突概率较低。

4、优缺点

• 优点：避免了频繁的锁操作，性能较好，适合读多写少的场景。
• 缺点：在高并发写操作的场景下，重试可能会频繁发生，导致性能下降。

5、示例

乐观锁的实现通常涉及到版本号（或时间戳）机制，以便在更新数据时检测是否发生了并发修改。我们还是用上面的示例，展示了如何在 Java中使用乐观锁进行并发控制。

假设有一个银行账户表（Account），包含账户ID、余额和版本号三个字段，现在希望在更新账户余额时使用乐观锁，以确保数据的一致性。

整个运行流程分为以下3个步骤：

1. 获取账户信息，包括当前的版本号。
2. 计算新的余额，并增加版本号。
3. 尝试更新账户信息，如果版本号匹配则更新成功，否则更新失败并抛出异常。

5.1 数据库表结构

CREATE TABLE Account (
    id INT PRIMARY KEY,
    balance DECIMAL(10, 2) NOT NULL,
    version INT NOT NULL
);

5.2 Java实现代码示例

5.2.1 Account类

public class Account {
    private int id;
    private BigDecimal balance;
    private int version;

    // Getters and Setters
}

5.2.2 AccountMapper接口

public interface AccountMapper {
    Account getAccountById(int id);
    int updateAccount(Account account);
}

5.2.3 AccountMapper的SQL实现

<mapper namespace="com.example.AccountMapper">
    <select id="getAccountById" resultType="com.example.Account">
        SELECT id, balance, version FROM Account WHERE id = #{id}
    </select>

    <update id="updateAccount">
        UPDATE Account
        SET balance = #{balance}, version = #{version}
        WHERE id = #{id} AND version = #{oldVersion}
    </update>
</mapper>

5.2.4 AccountService类

public class AccountService {

    private AccountMapper accountMapper;

    public AccountService(AccountMapper accountMapper) {
        this.accountMapper = accountMapper;
    }

    public void updateAccountBalance(int accountId, BigDecimal amount) {
        // 获取账户信息
        Account account = accountMapper.getAccountById(accountId);
        if (account == null) {
            throw new RuntimeException("Account not found");
        }

        // 记录当前版本号
        int currentVersion = account.getVersion();

        // 更新余额
        account.setBalance(account.getBalance().add(amount));
        // 更新版本号
        account.setVersion(currentVersion + 1);

        // 尝试更新账户信息
        int updatedRows = accountMapper.updateAccount(account);
        if (updatedRows == 0) {
            // 更新失败，可能是由于并发修改导致的版本号不匹配
            throw new OptimisticLockException("Update failed due to concurrent modification");
        }
    }
}

5.2.5 示例说明

1. Account类：包含账户ID、余额和版本号的Java类。
2. AccountMapper接口：定义了获取账户信息和更新账户信息的方法。
3. AccountMapper的SQL实现：使用MyBatis或其他ORM框架，定义了SQL查询和更新语句。注意在更新语句中使用了旧版本号来检测并发修改。
4. AccountService类：业务逻辑类，在更新账户余额时，先获取当前账户信息及其版本号，然后尝试更新余额和版本号。如果更新失败，抛出一个OptimisticLockException。

区别总结

1. 假设前提：悲观锁假设冲突会频繁发生，需要加锁保护。乐观锁假设冲突不会频繁发生，通过版本号或时间戳来检测冲突。
2. 性能：悲观锁性能较低，因为每次操作都需要加锁和解锁。乐观锁性能较高，但在高并发写操作下可能会频繁重试，影响性能。
3. 应用场景：悲观锁适用于并发冲突高、数据一致性要求严格的场景。乐观锁适用于并发冲突低、读多写少的场景。

编辑 ：三两肉
来源：猿Java