Java乐观锁的实现原理和典型案例

Java乐观锁的实现原理

什么是乐观锁？

在并发编程中，多个线程同时对同一资源进行操作时，需要使用锁来保证数据的一致性。
乐观锁与悲观锁是两种不同的锁机制。
悲观锁会在整个操作期间占用资源的独占性，以保证数据的一致性，而乐观锁则是基于版本号或时间戳的机制，在操作前做一个乐观的估计，如果操作成功，则版本号加1，如果失败，则重试。因为乐观锁不需要在整个操作期间占用资源的独占性，所以可以提高并发性。

Java中乐观锁的实现方式

Java中的乐观锁主要有两种实现方式：CAS（Compare and Swap）和版本号控制。

CAS

CAS是实现乐观锁的核心算法，它通过比较内存中的值是否和预期的值相等来判断是否存在冲突。如果存在，则返回失败；如果不存在，则执行更新操作。

CAS 它包含了 3 个参数：V（需要更新的变量）、E（预期值）和 N（最新值）。只有当需要更新的变量等于预期值时，需要更新的变量才会被设置为最新值，如果更新值和预期值不同，则说明已经有其它线程更新了需要更新的变量，此时当前线程不做操作，返回 V 的真实值。

Java中提供了AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等原子类来支持CAS操作。

下面是一个简单的CAS示例：

代码

public class Counter {private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);public void increment() {int expect;int update;do {expect = value.get();update = expect + 1;} while (!value.compareAndSet(expect, update));}
}

在这个示例中，increment()方法会不断地执行CAS操作，直到更新成功为止。

版本号控制

版本号控制是乐观锁的另一种实现方式。

每当一个线程要修改数据时，都会先读取当前的版本号或时间戳，并将其保存下来。线程完成修改后，会再次读取当前的版本号或时间戳，如果发现已经变化，则说明有其他线程对数据进行了修改，此时需要回滚并重试。

下面是一个简单的版本号控制示例：

代码

public class Counter {private int value = 0;private int version = 0;public void increment() {int currentVersion;int currentValue;do {currentVersion = version;currentValue = value;currentValue++;} while (currentVersion != version);value = currentValue;version = currentVersion + 1;}
}

在这个示例中，increment()方法会不断地执行循环，直到当前的版本号与保存的版本号相同为止。如果版本号不同，则说明有其他线程修改了数据，此时需要回滚并重试。

Java中乐观锁的案例

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是Java中的一个线程安全的哈希表实现，它使用分离锁（Segment）来保证线程安全。每个Segment都是一个独立的哈希表，每个操作只锁定相关的Segment，因此可以支持更高的并发性。

ConcurrentHashMap使用了一种基于CAS的技术来实现乐观锁，它通过比较当前的value和预期的value是否相等来判断是否存在冲突。如果存在，则返回失败；如果不存在，则执行更新操作。

LongAdder

在 JDK1.8 中，Java 提供了一个新的原子类 LongAdder。LongAdder 在高并发场景下会比 AtomicInteger 和 AtomicLong 的性能更好，代价就是会消耗更多的内存空间。

LongAdder 的原理就是降低操作共享变量的并发数，也就是将对单一共享变量的操作压力分散到多个变量值上，将竞争的每个写线程的 value 值分散到一个数组中，不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的 value 值进行 CAS 操作，最后在读取值的时候会将原子操作的共享变量与各个分散在数组的 value 值相加，返回一个近似准确的数值。

数据库并发控制

在日常开发中，使用乐观锁最常见的场景就是数据库的更新操作了。

为了保证操作数据库的原子性，我们常常会为每一条数据定义一个版本号，并在更新前获取到它，到了更新数据库的时候，还要判断下已经获取的版本号是否被更新过，如果没有，则执行该操作。

总结

在Java中，并发编程的时候可以使用Synchronized 和 Lock 实现的同步锁机制，但是两种同步锁都属于悲观锁。

悲观锁在高并发的场景下，激烈的锁竞争会造成线程阻塞，大量阻塞线程会导致系统的上下文切换，增加系统的性能开销，这个时候乐观锁就是我们可以考虑的一种方案。

当然CAS 乐观锁在平常使用时比较受限，它只能保证单个变量操作的原子性，当涉及到多个变量时，CAS 就无能为力了。

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