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锁的艺术：深入浅出讲解乐观锁与悲观锁

news 来源：原创 2025/6/8 7:41:06

        在多线程和分布式系统中，数据一致性是一个核心问题。锁机制作为解决并发冲突的重要手段，被广泛应用于各种场景。乐观锁和悲观锁是两种常见的锁策略，它们在设计理念、实现方式和适用场景上各有特点。本文将深入探讨乐观锁和悲观锁的原理、实现、优缺点以及具体的应用实例，并结合代码进行详细讲解，帮助读者更好地理解和应用这两种锁机制。

目录

一、锁的基本概念

二、悲观锁

（一）悲观锁的基本概念

（二）悲观锁的特点

（三）悲观锁的实现方式

1. 数据库中的悲观锁

2. Java中的悲观锁

（四）悲观锁的优缺点

三、乐观锁

（一）乐观锁的基本概念

（二）乐观锁的特点

（三）乐观锁的实现方式

1. 基于版本号的乐观锁

2. 基于时间戳的乐观锁

（四）乐观锁的优缺点

四、乐观锁与悲观锁的对比

（一）锁机制

（二）性能

（三）适用场景

五、总结

一、锁的基本概念

        在并发编程中，锁是一种用于控制多个线程对共享资源访问的机制。锁的主要目的是确保在同一时间只有一个线程能够访问共享资源，从而避免数据竞争和不一致问题。锁的实现方式多种多样，但其核心思想是通过某种机制来限制对共享资源的并发访问。

二、悲观锁

（一）悲观锁的基本概念

        悲观锁是一种基于“悲观”假设的锁机制。它认为在并发环境中，多个线程对共享资源的访问很可能会发生冲突，因此在访问共享资源之前，会先对资源进行加锁。只有获得锁的线程才能访问资源，其他线程必须等待锁释放后才能继续执行。悲观锁的核心思想是“宁可错杀一千，不可放过一个”，通过严格的锁机制来保证数据的一致性。

（二）悲观锁的特点

  1. 强一致性：悲观锁通过加锁机制严格限制对共享资源的并发访问，能够确保在任何时候只有一个线程能够修改资源，从而保证数据的强一致性。
  2. 高安全性：由于悲观锁在访问资源之前会先加锁，因此可以有效避免数据竞争和并发冲突，适用于对数据一致性要求较高的场景。
  3. 性能瓶颈：悲观锁的加锁和解锁操作会增加系统开销，尤其是在高并发场景下，锁的争用可能导致线程阻塞，降低系统的性能。
  4. 适用场景：悲观锁适用于写操作较多、数据竞争激烈的场景，例如数据库事务中的行锁和表锁。

（三）悲观锁的实现方式

       悲观锁可以通过多种方式实现，常见的有基于数据库的锁机制和基于Java同步原语的锁机制。

1. 数据库中的悲观锁

        在数据库中，悲观锁可以通过SELECT ... FOR UPDATE语句实现。该语句会在查询数据时对数据行加锁，其他事务必须等待锁释放后才能对该行数据进行操作。

-- 查询并锁定一行数据
SELECT * FROM users WHERE id = 1 FOR UPDATE;
  • FOR UPDATE：该子句的作用是锁定查询结果中的行，防止其他事务对该行数据进行修改。

        在Java中，可以通过JDBC操作数据库来实现悲观锁。以下是一个简单的示例代码：

import java.sql.Connection;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.SQLException;public class PessimisticLockExample {public static void main(String[] args) {Connection connection = null;PreparedStatement preparedStatement = null;ResultSet resultSet = null;try {// 获取数据库连接connection = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/test", "root", "password");// 设置事务为非自动提交connection.setAutoCommit(false);// 查询并锁定一行数据String sql = "SELECT * FROM users WHERE id = ? FOR UPDATE";preparedStatement = connection.prepareStatement(sql);preparedStatement.setInt(1, 1);resultSet = preparedStatement.executeQuery();if (resultSet.next()) {// 获取锁定的数据String name = resultSet.getString("name");System.out.println("Locked user: " + name);// 模拟业务逻辑处理Thread.sleep(5000);// 更新数据String updateSql = "UPDATE users SET name = ? WHERE id = ?";preparedStatement = connection.prepareStatement(updateSql);preparedStatement.setString(1, "New Name");preparedStatement.setInt(2, 1);preparedStatement.executeUpdate();// 提交事务connection.commit();}} catch (SQLException | InterruptedException e) {e.printStackTrace();try {// 回滚事务if (connection != null) {connection.rollback();}} catch (SQLException ex) {ex.printStackTrace();}} finally {// 关闭资源try {if (resultSet != null) {resultSet.close();}if (preparedStatement != null) {preparedStatement.close();}if (connection != null) {connection.close();}} catch (SQLException e) {e.printStackTrace();}}}
}

代码说明：

  • 使用SELECT ... FOR UPDATE语句查询并锁定数据行。

  • 设置事务为非自动提交模式，确保在事务提交之前，其他事务无法对该行数据进行修改。

  • 在锁定数据后，模拟业务逻辑处理（如Thread.sleep(5000)），然后更新数据并提交事务。

  • 如果发生异常，回滚事务并释放资源。

2. Java中的悲观锁

        在Java中，悲观锁可以通过java.util.concurrent.locks包中的Lock接口及其实现类（如ReentrantLock）来实现。ReentrantLock提供了比内置锁（synchronized）更灵活的锁操作，例如尝试锁定（tryLock）、设置超时时间（tryLock(long timeout, TimeUnit unit)）等。

        以下是一个使用ReentrantLock实现悲观锁的示例代码：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ReentrantLockExample {private final Lock lock = new ReentrantLock();public void doSomething() {lock.lock(); // 加锁try {// 模拟业务逻辑System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is doing something.");Thread.sleep(2000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}public static void main(String[] args) {ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();// 创建多个线程访问共享资源Thread t1 = new Thread(example::doSomething, "Thread-1");Thread t2 = new Thread(example::doSomething, "Thread-2");t1.start();t2.start();}
}

代码说明：

  • 使用ReentrantLock的lock()方法加锁，unlock()方法释放锁。

  • 在try块中执行业务逻辑，确保在异常情况下能够通过finally块释放锁。

  • 多个线程访问共享资源时，只有获得锁的线程能够执行doSomething方法，其他线程必须等待锁释放。

（四）悲观锁的优缺点

优点

  1. 数据一致性高：悲观锁通过严格的锁机制确保数据的一致性，适用于对数据一致性要求较高的场景。
  2. 实现简单：悲观锁的实现相对简单，尤其是在数据库层面，通过SELECT ... FOR UPDATE语句即可实现。

缺点

  1. 性能瓶颈：悲观锁的加锁和解锁操作会增加系统开销，尤其是在高并发场景下，锁的争用可能导致线程阻塞，降低系统的性能。
  2. 资源利用率低：由于悲观锁限制了并发访问，可能导致资源利用率较低，尤其是在读操作较多的场景下。

三、乐观锁

（一）乐观锁的基本概念

        乐观锁是一种基于“乐观”假设的锁机制。它认为在并发环境中，多个线程对共享资源的访问发生冲突的概率较低，因此在访问资源时不加锁，而是通过其他机制（如版本号或时间戳）来检测数据是否被其他线程修改。如果检测到数据被修改，则放弃当前操作并重试。乐观锁的核心思想是“先做事，再检查”，通过减少锁的使用来提高系统性能。

（二）乐观锁的特点

  1. 高性能：乐观锁减少了锁的使用，降低了锁的开销，适用于读操作较多、写操作较少的场景，能够显著提高系统的性能。
  2. 资源利用率高：乐观锁允许多个线程并发访问共享资源，提高了资源的利用率。
  3. 实现复杂：乐观锁的实现相对复杂，需要通过版本号或时间戳等机制检测数据是否被修改。
  4. 适用场景：乐观锁适用于读操作较多、写操作较少的场景，例如缓存系统、分布式系统中的数据一致性控制。

（三）乐观锁的实现方式

        乐观锁可以通过版本号（Version Number）或时间戳（Timestamp）来实现。以下分别介绍这两种实现方式。

1. 基于版本号的乐观锁

        基于版本号的乐观锁通过为每个数据项添加一个版本号字段来实现。每次修改数据时，版本号加1。在更新数据时，会检查版本号是否发生变化。如果版本号发生变化，说明数据被其他线程修改过，当前操作需要重试。以下是一个基于版本号的乐观锁的实现示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class OptimisticLockExample {private int value; // 数据值private AtomicInteger version = new AtomicInteger(0); // 版本号public void updateValue(int newValue) {int currentVersion = version.get(); // 获取当前版本号while (true) {// 检查版本号是否发生变化if (version.compareAndSet(currentVersion, currentVersion + 1)) {// 如果版本号未发生变化，更新数据value = newValue;System.out.println("Updated value to " + newValue + " with version " + version.get());break;} else {// 如果版本号发生变化，重试currentVersion = version.get();System.out.println("Version changed, retrying...");}}}public static void main(String[] args) {OptimisticLockExample example = new OptimisticLockExample();// 创建多个线程更新数据Thread t1 = new Thread(() -> example.updateValue(10), "Thread-1");Thread t2 = new Thread(() -> example.updateValue(20), "Thread-2");t1.start();t2.start();}
}

代码说明：

  • 使用AtomicInteger来实现版本号的线程安全操作。

  • 在更新数据时，通过compareAndSet方法检查版本号是否发生变化。如果版本号未发生变化，则更新数据并增加版本号；如果版本号发生变化，则重试。

  • 多个线程更新数据时，通过版本号机制避免冲突。

2. 基于时间戳的乐观锁

        基于时间戳的乐观锁通过为每个数据项添加一个时间戳字段来实现。每次修改数据时，更新时间戳。在更新数据时，会检查时间戳是否发生变化。如果时间戳发生变化，说明数据被其他线程修改过，当前操作需要重试。以下是一个基于时间戳的乐观锁的实现示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;public class OptimisticLockWithTimestamp {private int value; // 数据值private AtomicLong timestamp = new AtomicLong(System.currentTimeMillis()); // 时间戳public void updateValue(int newValue) {long currentTimestamp = timestamp.get(); // 获取当前时间戳while (true) {// 检查时间戳是否发生变化if (timestamp.compareAndSet(currentTimestamp, System.currentTimeMillis())) {// 如果时间戳未发生变化，更新数据value = newValue;System.out.println("Updated value to " + newValue + " with timestamp " + timestamp.get());break;} else {// 如果时间戳发生变化，重试currentTimestamp = timestamp.get();System.out.println("Timestamp changed, retrying...");}}}public static void main(String[] args) {OptimisticLockWithTimestamp example = new OptimisticLockWithTimestamp();// 创建多个线程更新数据Thread t1 = new Thread(() -> example.updateValue(10), "Thread-1");Thread t2 = new Thread(() -> example.updateValue(20), "Thread-2");t1.start();t2.start();}
}

代码说明：

  • 使用AtomicLong来实现时间戳的线程安全操作。

  • 在更新数据时，通过compareAndSet方法检查时间戳是否发生变化。如果时间戳未发生变化，则更新数据并更新时间戳；如果时间戳发生变化，则重试。

  • 多个线程更新数据时，通过时间戳机制避免冲突。

（四）乐观锁的优缺点

优点

  1. 高性能：乐观锁减少了锁的使用，降低了锁的开销，适用于读操作较多、写操作较少的场景，能够显著提高系统的性能。
  2. 资源利用率高：乐观锁允许多个线程并发访问共享资源，提高了资源的利用率。
  3. 减少锁竞争：乐观锁通过版本号或时间戳机制避免了锁的竞争，减少了线程阻塞的可能性。

缺点

  1. 实现复杂：乐观锁的实现相对复杂，需要通过版本号或时间戳等机制来检测数据是否被修改。
  2. 冲突重试机制：乐观锁在检测到冲突时需要重试，可能会导致操作失败或性能下降，尤其是在高并发写操作较多的场景下。
  3. 适用场景有限：乐观锁适用于读操作较多、写操作较少的场景，对于写操作较多的场景，其性能优势可能不明显。

四、乐观锁与悲观锁的对比

（一）锁机制

  • 悲观锁：通过加锁机制限制对共享资源的并发访问，确保在同一时间只有一个线程能够访问共享资源。

  • 乐观锁：不加锁，通过版本号或时间戳机制检测数据是否被修改，如果检测到冲突则重试。

（二）性能

  • 悲观锁：加锁和解锁操作会增加系统开销，尤其是在高并发场景下，锁的争用可能导致线程阻塞，降低系统的性能。

  • 乐观锁：减少了锁的使用，降低了锁的开销，适用于读操作较多、写操作较少的场景，能够显著提高系统的性能。

（三）适用场景

  • 悲观锁：适用于写操作较多、数据竞争激烈的场景，例如数据库事务中的行锁和表锁。

  • 乐观锁：适用于读操作较多、写操作较少的场景，例如缓存系统、分布式系统中的数据一致性控制。

五、总结

乐观锁悲观锁
核心思想假设冲突较少，先操作再检查冲突，通过版本号或时间戳检测数据是否被修改。假设冲突较多，通过加锁机制限制对共享资源的并发访问。
锁机制不加锁，通过版本号或时间戳检测数据是否被修改。加锁，通过锁机制限制对共享资源的并发访问。
性能读操作多、写操作少时性能高，减少锁的开销。写操作多时性能可能受限，锁的争用可能导致线程阻塞。
资源利用率允许多个线程并发访问，资源利用率高。同一时间只有一个线程能访问资源，资源利用率低。
实现复杂度实现相对复杂，需要版本号或时间戳机制。实现相对简单，直接通过锁机制实现。
适用场景读操作多、写操作少的场景，如缓存系统、分布式系统中的数据一致性控制。写操作多、数据竞争激烈的场景，如数据库事务中的行锁和表锁。
冲突处理发现冲突时重试操作。通过锁机制避免冲突，其他线程等待锁释放。
数据一致性数据一致性依赖于重试机制，可能需要多次尝试。数据一致性高，通过锁机制严格保证。
并发能力并发能力强，允许多个线程同时读取。并发能力弱，同一时间只有一个线程能操作。
适用语言/框架Java中可通过Atomic类实现版本号机制；数据库中可通过版本号字段实现。Java中可通过synchronized或ReentrantLock实现；数据库中可通过FOR UPDATE实现。
优点性能高、资源利用率高、减少锁竞争。数据一致性高、实现简单、安全性高。
缺点实现复杂、冲突时需要重试、适用场景有限。性能瓶颈、资源利用率低、锁竞争可能导致线程阻塞。

        乐观锁和悲观锁是两种常见的锁机制，它们在设计理念、实现方式和适用场景上各有特点。悲观锁通过加锁机制严格限制对共享资源的并发访问，能够确保数据的一致性，但可能会导致性能瓶颈。乐观锁通过版本号或时间戳机制检测数据是否被修改，减少了锁的使用，提高了系统的性能，但实现相对复杂，且在高并发写操作较多的场景下可能不适用。

        在实际应用中，选择乐观锁还是悲观锁需要根据具体的业务场景和性能需求来决定。对于写操作较多、数据竞争激烈的场景，悲观锁可能是更好的选择；而对于读操作较多、写操作较少的场景，乐观锁则能够显著提高系统的性能。

通过本文的介绍，读者可以更好地理解乐观锁和悲观锁的原理、实现和应用，从而在实际开发中合理选择锁机制，优化系统的性能和可靠性。

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