面試官：悲觀鎖、樂(lè)觀鎖、分布式鎖？都在什么場(chǎng)景下使用？有什么技巧？
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鎖類別 樂(lè)觀鎖 悲觀鎖 扣減操作案例 方案1：同步排它鎖 方案2：數(shù)據(jù)庫(kù)行鎖 方案3：redis分布式鎖 方案4：數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖 總結(jié)
如何確保一個(gè)方法，或者一塊代碼在高并發(fā)情況下，同一時(shí)間只能被一個(gè)線程執(zhí)行，單體應(yīng)用可以使用并發(fā)處理相關(guān)的 API 進(jìn)行控制，但單體應(yīng)用架構(gòu)演變?yōu)榉植际轿⒎?wù)架構(gòu)后，跨進(jìn)程的實(shí)例部署，顯然就沒(méi)辦法通過(guò)應(yīng)用層鎖的機(jī)制來(lái)控制并發(fā)了。
那么鎖都有哪些類型，為什么要使用鎖，鎖的使用場(chǎng)景有哪些？
鎖類別
不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)鎖的要求各不相同，我們先來(lái)看下鎖都有哪些類別，這些鎖之間有什么區(qū)別。
悲觀鎖(synchronize)
Java 中的重量級(jí)鎖 synchronize 數(shù)據(jù)庫(kù)行鎖
樂(lè)觀鎖
Java 中的輕量級(jí)鎖 volatile 和 CAS 數(shù)據(jù)庫(kù)版本號(hào)
分布式鎖(Redis鎖)
樂(lè)觀鎖
就好比說(shuō)是你是一個(gè)生活態(tài)度樂(lè)觀積極向上的人，總是往最好的情況去想，比如你每次去獲取共享數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)認(rèn)為別人不會(huì)修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候你會(huì)判斷這期間有沒(méi)有人去更新這個(gè)數(shù)據(jù)。
樂(lè)觀鎖使用在前，判斷在后。我們看下偽代碼：
reduce()
{
????select?total_amount?from?table_1
????if(total_amount?{
??????????return?failed.
????}
????//其他業(yè)務(wù)邏輯
????update?total_amount?=?total_amount?-?amount?where?total_amount?>?amount;?}
數(shù)據(jù)庫(kù)的版本號(hào)屬于樂(lè)觀鎖； 通過(guò)CAS算法實(shí)現(xiàn)的類屬于樂(lè)觀鎖。
悲觀鎖
悲觀鎖是怎么理解呢？相對(duì)樂(lè)觀鎖剛好反過(guò)來(lái)，總是假設(shè)最壞的情況，假設(shè)你每次拿數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)被其他人修改，所以你在每次共享數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)對(duì)他加一把鎖，等你使用完了再釋放鎖，再給別人使用數(shù)據(jù)。
悲觀鎖判斷在前，使用在后。我們也看下偽代碼：
reduce()
{
????//其他業(yè)務(wù)邏輯
????int?num?=?update?total_amount?=?total_amount?-?amount?where?total_amount?>?amount;
???if(num?==1?){
??????????//業(yè)務(wù)邏輯.
????}
}
Java中的的synchronize是重量級(jí)鎖 ，屬于悲觀鎖； 數(shù)據(jù)庫(kù)行鎖屬于悲觀鎖；
扣減操作案例
這里舉一個(gè)非常常見(jiàn)的例子，在高并發(fā)情況下余額扣減，或者類似商品庫(kù)存扣減，也可以是資金賬戶的余額扣減。扣減操作會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題呢？很容易可以看到，可能會(huì)發(fā)生的問(wèn)題是扣減導(dǎo)致的超賣?，也就是扣減成了負(fù)數(shù)。
舉個(gè)例子，比如我的庫(kù)存數(shù)據(jù)只有100個(gè)。并發(fā)情況下第1筆請(qǐng)求賣出100個(gè)，第2批賣出100元，導(dǎo)致當(dāng)前的庫(kù)存數(shù)量為負(fù)數(shù)。遇到這種場(chǎng)景應(yīng)該如何破解呢？這里列舉四種方案。
方案1：同步排它鎖
這時(shí)候很容易想到最簡(jiǎn)單的方案：同步排它鎖?(synchronize)。但是排他鎖的缺點(diǎn)很明顯：
其中一個(gè)缺點(diǎn)是，線程串行導(dǎo)致的性能問(wèn)題，性能消耗比較大。 另一個(gè)缺點(diǎn)是無(wú)法解決分布式部署情況下跨進(jìn)程問(wèn)題；
方案2：數(shù)據(jù)庫(kù)行鎖
第二我們可能會(huì)想到，那用數(shù)據(jù)庫(kù)行鎖來(lái)鎖住這條數(shù)據(jù)，這種方案相比排它鎖解決了跨進(jìn)程的問(wèn)題，但是依然有缺點(diǎn)。
其中一個(gè)缺點(diǎn)就是性能問(wèn)題，在數(shù)據(jù)庫(kù)層面會(huì)一直阻塞，直到事務(wù)提交，這里也是串行執(zhí)行； 第二個(gè)需要注意設(shè)置事務(wù)的隔離級(jí)別是Read Committed，否則并發(fā)情況下，另外的事務(wù)無(wú)法看到提交的數(shù)據(jù)，依然會(huì)導(dǎo)致超賣問(wèn)題； 缺點(diǎn)三是容易打滿數(shù)據(jù)庫(kù)連接，如果事務(wù)中有第三方接口交互(存在超時(shí)的可能性)，會(huì)導(dǎo)致這個(gè)事務(wù)的連接一直阻塞，打滿數(shù)據(jù)庫(kù)連接。 最后一個(gè)缺點(diǎn)，容易產(chǎn)生交叉死鎖，如果多個(gè)業(yè)務(wù)的加鎖控制不好，就會(huì)發(fā)生AB兩條記錄的交叉死鎖。
方案3：redis分布式鎖
前面的方案本質(zhì)上是把數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)作分布式鎖來(lái)使用，所以同樣的道理，redis，zookeeper都相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)的一種鎖，其實(shí)當(dāng)遇到加鎖問(wèn)題，代碼本身無(wú)論是synchronize或者各種lock使用起來(lái)都比較復(fù)雜，所以思路是把代碼處理一致性的問(wèn)難題交給一個(gè)能夠幫助你處理一致性的問(wèn)題的專業(yè)組件，比如數(shù)據(jù)庫(kù)，比如redis，比如zookeeper等。
這里我們分析下分布式鎖的優(yōu)缺點(diǎn)：
優(yōu)點(diǎn)：
可以避免大量對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)排他鎖的征用，提高系統(tǒng)的響應(yīng)能力?； 缺點(diǎn)：
設(shè)置鎖和設(shè)置超時(shí)時(shí)間的原子性； 不設(shè)置超時(shí)時(shí)間的缺點(diǎn)；
服務(wù)宕機(jī)或線程阻塞超時(shí)的情況；
超時(shí)時(shí)間設(shè)置不合理的情況；
加鎖和過(guò)期設(shè)置的原子性
redis加鎖的命令setnx，設(shè)置鎖的過(guò)期時(shí)間是expire，解鎖的命令是del，但是2.6.12之前的版本中，加鎖和設(shè)置鎖過(guò)期命令是兩個(gè)操作，不具備原子性。如果setnx設(shè)置完key-value之后，還沒(méi)有來(lái)得及使用expire來(lái)設(shè)置過(guò)期時(shí)間，當(dāng)前線程掛掉了或者線程阻塞，會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前線程設(shè)置的key一直有效，后續(xù)的線程無(wú)法正常使用setnx獲取鎖，導(dǎo)致死鎖。
針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，redis2.6.12以上的版本增加了可選的參數(shù)，可以在加鎖的同時(shí)設(shè)置key的過(guò)期時(shí)間，保證了加鎖和過(guò)期操作原子性的。
但是，即使解決了原子性的問(wèn)題，業(yè)務(wù)上同樣會(huì)遇到一些極端的問(wèn)題，比如分布式環(huán)境下，A獲取到了鎖之后，因?yàn)榫€程A的業(yè)務(wù)代碼耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致鎖的超時(shí)時(shí)間，鎖自動(dòng)失效。后續(xù)線程B就意外的持有了鎖，之后線程A再次恢復(fù)執(zhí)行，直接用del命令釋放鎖，這樣就錯(cuò)誤的將線程B同樣Key的鎖誤刪除了。代碼耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)還是比較常見(jiàn)的場(chǎng)景，假如你的代碼中有外部通訊接口調(diào)用，就容易產(chǎn)生這樣的場(chǎng)景。
設(shè)置合理的時(shí)長(zhǎng)
剛才講到的線程超時(shí)阻塞的情況，那么如果不設(shè)置時(shí)長(zhǎng)呢，當(dāng)然也不行，如果線程持有鎖的過(guò)程中突然服務(wù)宕機(jī)了，這樣鎖就永遠(yuǎn)無(wú)法失效了。同樣的也存在鎖超時(shí)時(shí)間設(shè)置是否合理的問(wèn)題，如果設(shè)置所持有時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響性能，如果設(shè)置時(shí)間過(guò)短，有可能業(yè)務(wù)阻塞沒(méi)有處理完成，是否可以合理的設(shè)置鎖的時(shí)間?
續(xù)命鎖
這是一個(gè)很不容易解決的問(wèn)題，不過(guò)有一個(gè)辦法能解決這個(gè)問(wèn)題，那就是續(xù)命鎖，我們可以先給鎖設(shè)置一個(gè)超時(shí)時(shí)間，然后啟動(dòng)一個(gè)守護(hù)線程，讓守護(hù)線程在一段時(shí)間之后重新去設(shè)置這個(gè)鎖的超時(shí)時(shí)間，續(xù)命鎖的實(shí)現(xiàn)過(guò)程就是寫一個(gè)守護(hù)線程，然后去判斷對(duì)象鎖的情況，快失效的時(shí)候，再次進(jìn)行重新加鎖，但是一定要判斷鎖的對(duì)象是同一個(gè)，不能亂續(xù)。
同樣，主線程業(yè)務(wù)執(zhí)行完了，守護(hù)線程也需要銷毀，避免資源浪費(fèi)，使用續(xù)命鎖的方案相對(duì)比較而言更復(fù)雜，所以如果業(yè)務(wù)比較簡(jiǎn)單，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比，合理的設(shè)置鎖的超時(shí)時(shí)間就行。
方案4：數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖
數(shù)據(jù)庫(kù)樂(lè)觀鎖加鎖的一個(gè)原則就是盡量想辦法減少鎖的范圍。鎖的范圍越大，性能越差，數(shù)據(jù)庫(kù)的鎖就是把鎖的范圍減小到了最小。我們看下面的偽代碼
reduce()
{
????select?total_amount?from?table_1
????if(total_amount?{
??????????return?failed.
????}
????//其他業(yè)務(wù)邏輯
????update?total_amount?=?total_amount?-?amount;
}
我們可以看到修改前的代碼是沒(méi)有where條件的。修改后，再加where條件判斷：總庫(kù)存大于將被扣減的庫(kù)存。
update?total_amount?=?total_amount?-?amount?where?total_amount?>?amount
如果更新條數(shù)返回0，說(shuō)明在執(zhí)行過(guò)程中被其他線程搶先執(zhí)行扣減，并且避免了扣減為負(fù)數(shù)。
但是這種方案還會(huì)涉及一個(gè)問(wèn)題，如果在之前的update代碼中，以及其他的業(yè)務(wù)邏輯中還有一些其他的數(shù)據(jù)庫(kù)寫操作的話，那這部分?jǐn)?shù)據(jù)如何回滾呢？
我的建議是這樣的，你可以選擇下面這兩種寫法：
利用事務(wù)回滾寫法：
我們先給業(yè)務(wù)方法增加事務(wù)，方法在扣減庫(kù)存影響條數(shù)為零的時(shí)候扔出一個(gè)異常，這樣對(duì)他之前的業(yè)務(wù)代碼也會(huì)回滾。
reduce()
{
????select?total_amount?from?table_1
????if(total_amount?{
??????????return?failed.
????}
????//其他業(yè)務(wù)邏輯
????int?num?=?update?total_amount?=?total_amount?-?amount?where?total_amount?>?amount;???if(num==0)?throw?Exception;}
第二種寫法
reduce()
{
????//其他業(yè)務(wù)邏輯
????int?num?=?update?total_amount?=?total_amount?-?amount?where?total_amount?>?amount;????if(num?==1?){
??????????//業(yè)務(wù)邏輯.
????}??else{????throw?Exception;??}
}
首先執(zhí)行update業(yè)務(wù)邏輯，如果執(zhí)行成功了再去執(zhí)行邏輯操作，這種方案是我相對(duì)比較建議的方案。在并發(fā)情況下對(duì)共享資源扣減操作可以使用這種方法，但是這里需要引出一個(gè)問(wèn)題，比如說(shuō)萬(wàn)一其他業(yè)務(wù)邏輯中的業(yè)務(wù)，因?yàn)樘厥庠蚴×嗽撛趺崔k呢？比如說(shuō)在扣減過(guò)程中服務(wù)OOM了怎么辦？
我只能說(shuō)這些非常極端的情況，比如突然宕機(jī)中間數(shù)據(jù)都丟了，這種極少數(shù)的情況下只能人工介入，如果所有的極端情況都考慮到，也不現(xiàn)實(shí)。我們討論的重點(diǎn)是并發(fā)情況下，共享資源的操作如何加鎖的問(wèn)題。
總結(jié)
最后我來(lái)給你總結(jié)一下，如果你可以非常熟練的解決這類問(wèn)題，第一時(shí)間肯定想到的是：數(shù)據(jù)庫(kù)版本號(hào)解決方案或者分布式鎖的解決方案；但是如果你是一個(gè)初學(xué)者，相信你一定會(huì)第一時(shí)間考慮到Java中提供的同步鎖或者數(shù)據(jù)庫(kù)行鎖。
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