悲观锁与乐观锁：并发编程中的两种核心控制策略详解

在并发编程中，悲观锁和乐观锁是两种不同的并发控制策略，用于解决多个线程或进程对共享资源的并发访问问题。下面将详细介绍它们的概念、实现方式以及优缺点。
悲观锁

概念

悲观锁认为在并发环境下，多个线程或进程对共享资源的访问大概率会发生冲突，所以在访问共享资源之前，会先对资源进行加锁，以防止其他线程或进程同时访问该资源，直到当前线程或进程完成操作并释放锁。

实现方式

synchronized 关键字

在 Java 中，synchronized 是一种内置的悲观锁机制。它可以修饰方法或代码块，确保同一时间只有一个线程可以执行被修饰的方法或代码块。

public class SynchronizedExample {private int count = 0;// 同步方法public synchronized void increment() {count++;}// 同步代码块public void decrement() {synchronized (this) {count--;}}
}

ReentrantLock 类

ReentrantLock 是 Java 中 java.util.concurrent.locks 包下的一个类，也是一种悲观锁实现。它提供了比 synchronized 更灵活的锁控制，例如可中断的锁获取、公平锁等。

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ReentrantLockExample {private int count = 0;private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public void increment() {lock.lock();try {count++;} finally {lock.unlock();}}
}

优缺点

优点
○ 数据一致性高：通过加锁机制，确保同一时间只有一个线程可以访问共享资源，从而避免了并发冲突，保证了数据的一致性和完整性。
○ 使用简单：像 synchronized 关键字，语法简洁，开发者无需手动管理锁的生命周期，JVM 会自动处理锁的获取和释放。
缺点
○ 性能开销大：加锁和解锁操作需要一定的系统开销，尤其是在高并发场景下，频繁的加锁和解锁会导致性能下降。
○ 容易产生死锁：如果在使用锁的过程中，多个线程相互等待对方释放锁，就可能会产生死锁问题，导致程序无法正常运行。

乐观锁

概念

乐观锁认为在并发环境下，多个线程或进程对共享资源的访问大概率不会发生冲突，所以在访问共享资源时不会先加锁，而是在更新资源时检查该资源是否被其他线程或进程修改过。如果没有被修改过，则进行更新操作；如果被修改过，则根据具体的实现策略进行重试或放弃操作。
实现方式

版本号机制

为每个数据记录添加一个版本号字段，当数据被修改时，版本号会递增。在更新数据时，会先比较当前版本号与数据库中记录的版本号是否一致，如果一致则更新数据并将版本号加 1；如果不一致，则表示数据已被其他线程修改，需要进行相应的处理。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class VersionNumberExample {private AtomicInteger version = new AtomicInteger(0);private int data = 0;public boolean updateData(int newData) {int currentVersion = version.get();// 模拟数据处理try {Thread.sleep(100);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}if (version.compareAndSet(currentVersion, currentVersion + 1)) {data = newData;return true;}return false;}
}

CAS（Compare-And-Swap）操作

CAS 是一种无锁算法，包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当且仅当内存位置 V 的值等于预期原值 A 时，处理器才会用新值 B 更新内存位置 V 的值；否则，它不会执行更新操作，但会返回 V 的当前值。在 Java 中，java.util.concurrent.atomic 包下的原子类（如 AtomicInteger、AtomicLong 等）就是基于 CAS 实现的。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class CASExample {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public void increment() {int current;do {current = count.get();} while (!count.compareAndSet(current, current + 1));}
}

优缺点

优点
○ 性能高：由于不需要加锁，乐观锁在并发冲突较少的情况下，避免了加锁和解锁的开销，从而提高了程序的性能。
○ 并发度高：多个线程可以同时访问共享资源，提高了系统的并发处理能力。
缺点
○ 数据一致性问题：在并发冲突较高的情况下，可能会出现大量的更新失败和重试操作，导致数据的一致性受到影响。
○ ABA 问题：以 CAS 操作为例，当一个值从 A 变为 B，然后又变回 A 时，CAS 操作会认为这个值没有发生变化，从而继续执行更新操作，但实际上值已经经历了变化。可以使用带有版本号的 CAS 操作（如 AtomicStampedReference）来解决 ABA 问题。