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深入理解Yii2.0乐观锁与悲观锁的原理与使用,深入理解yii2.0

深入理解Yii2.0乐观锁与悲观锁的原理与使用,深入理解yii2.0本文介绍了深入理解Yii2.0乐观锁与悲观锁的原理与使用,分享给大家,具体如下: Web应用往往面临多用户环境,这种情况下的并发...

深入理解Yii2.0乐观锁与悲观锁的原理与使用,深入理解yii2.0

本文介绍了深入理解Yii2.0乐观锁与悲观锁的原理与使用,分享给大家,具体如下:

Web应用往往面临多用户环境,这种情况下的并发写入控制, 几乎成为每个开发人员都必须掌握的一项技能。

在并发环境下,有可能会出现脏读(Dirty Read)、不可重复读(Unrepeatable Read)、 幻读(Phantom Read)、更新丢失(Lost update)等情况。具体的表现可以自行搜索。

为了应对这些问题,主流数据库都提供了锁机制,并引入了事务隔离级别的概念。 这里我们都不作解释了,拿这些关键词一搜,网上大把大把的。

但是,就于具体开发过程而言,一般分为悲观锁和乐观锁两种方式来解决并发冲突问题。

乐观锁

乐观锁(optimistic locking)表现出大胆、务实的态度。使用乐观锁的前提是, 实际应用当中,发生冲突的概率比较低。他的设计和实现直接而简洁。 目前Web应用中,乐观锁的使用占有绝对优势。

因此,Yii也为ActiveReocrd提供了乐观锁支持。

根据Yii的官方文档,使用乐观锁,总共分4步:

  • 为需要加锁的表增加一个字段,用于表示版本号。 当然相应的Model也要为该字段的加入,作出适当调整。比如, rules() 中要加入该字段。
  • 重载 yiidbActiveRecord::optimisticLock() 方法,返回上一步中的字段名。
  • 在记录的修改页面表单中,加入一个 <input type="hidden"> 用于暂存读取时的记录的版本号。
  • 在保存代码的地方,使用 try ... catch 看看是否能捕获一个 yiidbStaleObjectException 异常。如果是,说明在本次修改这个记录的过程中, 该记录已经被修改过了。简单应对的话,可以作出相应提示。智能点的话, 可以合并不冲突的修改,或者显示一个diff页面。

从本质上来讲,乐观锁并没有像悲观锁那样使用数据库的锁机制。 乐观锁通过在表中增加一个计数字段,来表示当前记录被修改的次数(版本号)。

然后在更新、删除前通过比对版本号来实现乐观锁。

声明版本号字段

版本号是实现乐观锁的根本所在。所以第一步,我们要告诉Yii,哪个字段是版本号字段。 这个由 yiidbBaseActiveRecord 负责:

public function optimisticLock()
{
  return null;
}

这个方法返回 null ,表示不使用乐观锁。那么我们的Model中,要对此进行重载。 返回一个字符串,表示我们用于标识版本号的字段。比如可以这样:

public function optimisticLock()
{
  return ‘ver‘;
}

说明当前的ActiveRecord中,有一个 ver 字段,可以为乐观锁所用。 那么Yii具体是如何借助这个 ver 字段实现乐观锁的呢?

更新过程

具体来讲,使用乐观锁之后的更新过程,就是这么一个流程:

  1. 读取要更新的记录。
  2. 对记录按照用户的意愿进行修改。当然,这个时候不会修改 ver 字段。 这个字段对用户是没意义的。
  3. 在保存记录前,再次读取这个记录的 ver 字段,与之前读取的值进行比对。
  4. 如果 ver 不同,说明在用户修改过程中,这个记录被别人改动过了。那么, 我们要给出提示。
  5. 如果 ver 相同,说明这个记录未被修改过。那么,对 ver +1, 并保存这个记录。这样子就完成了记录的更新。同时,该记录的版本号也加了1。

由于ActiveRecord的更新过程最终都需要调用 yiidbBaseActiveRecord::updateInteranl() ,理所当然地,处理乐观锁的代码, 也就隐藏在这个方法中:

protected function updateInternal($attributes = null)
{
  if (!$this->beforeSave(false)) {
    return false;
  }
  // 获取等下要更新的字段及新的字段值
  $values = $this->getDirtyAttributes($attributes);
  if (empty($values)) {
    $this->afterSave(false, $values);
    return 0;
  }
  // 把原来ActiveRecord的主键作为等下更新记录的条件,
  // 也就是说,等下更新的,最多只有1个记录。
  $condition = $this->getOldPrimaryKey(true);

  // 获取版本号字段的字段名,比如 ver
  $lock = $this->optimisticLock();

  // 如果 optimisticLock() 返回的是 null,那么,不启用乐观锁。
  if ($lock !== null) {
    // 这里的 $this->$lock ,就是 $this->ver 的意思;
    // 这里把 ver+1 作为要更新的字段之一。
    $values[$lock] = $this->$lock + 1;

    // 这里把旧的版本号作为更新的另一个条件
    $condition[$lock] = $this->$lock;
  }
  $rows = $this->updateAll($values, $condition);

  // 如果已经启用了乐观锁,但是却没有完成更新,或者更新的记录数为0;
  // 那就说明是由于 ver 不匹配,记录被修改过了,于是抛出异常。
  if ($lock !== null && !$rows) {
    throw new StaleObjectException(‘The object being updated is outdated.‘);
  }
  $changedAttributes = [];
  foreach ($values as $name => $value) {
    $changedAttributes[$name] = isset($this->_oldAttributes[$name]) ? $this->_oldAttributes[$name] : null;
    $this->_oldAttributes[$name] = $value;
  }
  $this->afterSave(false, $changedAttributes);
  return $rows;
}

从上面的代码中,我们不难得出:

  1. 当 optimisticLock() 返回 null 时,乐观锁不会被启用。
  2. 版本号只增不减。
  3. 通过乐观锁的条件有2个,一是主键要存在,二是要能够完成更新。
  4. 当启用乐观锁后,只有下列两种情况会抛出 StaleObjectException 异常:
    1. 当记录在被别人删除后,由于主键已经不存在,更新失败。
    2. 版本号已经变更,不满足更新的第二个条件。

删除过程

与更新过程相比,删除过程的乐观锁,更简单,更好理解。代码仍在 yiidbBaseActiveRecord 中:

public function delete()
{
  $result = false;
  if ($this->beforeDelete()) {
    // 删除的SQL语句中,WHERE部分是主键
    $condition = $this->getOldPrimaryKey(true);
    // 获取版本号字段的字段名,比如 ver
    $lock = $this->optimisticLock();
    // 如果启用乐观锁,那么WHERE部分再加一个条件,版本号
    if ($lock !== null) {
      $condition[$lock] = $this->$lock;
    }
    $result = $this->deleteAll($condition);
    if ($lock !== null && !$result) {
      throw new StaleObjectException(‘The object being deleted is outdated.‘);
    }
    $this->_oldAttributes = null;
    $this->afterDelete();
  }
  return $result;
}

比起更新过程,删除过程确实要简单得多。唯一的区别就是省去了版本号+1的步骤。 都要删除了,版本号+1有什么意义?

乐观锁失效

乐观锁存在失效的情况,属小概率事件,需要多个条件共同配合才会出现。如:

  1. 应用采用自己的策略管理主键ID。如,常见的取当前ID字段的最大值+1作为新ID。
  2. 版本号字段 ver 默认值为 0 。
  3. 用户A读取了某个记录准备修改它。该记录正好是ID最大的记录,且之前没被修改过, ver 为默认值 0。
  4. 在用户A读取完成后,用户B恰好删除了该记录。之后,用户C又插入了一个新记录。
  5. 此时,阴差阳错的,新插入的记录的ID与用户A读取的记录的ID是一致的, 而版本号两者又都是默认值 0。
  6. 用户A在用户C操作完成后,修改完成记录并保存。由于ID、ver均可以匹配上, 因此用户A成功保存。但是,却把用户C插入的记录覆盖掉了。

乐观锁此时的失效,根本原因在于应用所使用的主键ID管理策略, 正好与乐观锁存在极小程度上的不兼容。

两者分开来看,都是没问题的。组合到一起之后,大致看去好像也没问题。 但是bug之所以成为bug,坑之所以能够坑死人,正是由于其隐蔽性。

对此,也有一些意见提出来,使用时间戳作为版本号字段,就可以避免这个问题。 但是,时间戳的话,如果精度不够,如毫秒级别,那么在高并发,或者非常凑巧情况下, 仍有失效的可能。而如果使用高精度时间戳的话,成本又太高。

使用时间戳,可靠性并不比使用整型好。问题还是要回到使用严谨的主键成生策略上来。

悲观锁

正如其名字,悲观锁(pessimistic locking)体现了一种谨慎的处事态度。其流程如下:

  1. 在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录加上排他锁(exclusive locking)。
  2. 如果加锁失败,说明该记录正在被修改,那么当前查询可能要等待或者抛出异常。 具体响应方式由开发者根据实际需要决定。
  3. 如果成功加锁,那么就可以对记录做修改,事务完成后就会解锁了。
  4. 其间如果有其他对该记录做修改或加排他锁的操作,都会等待我们解锁或直接抛出异常。

悲观锁确实很严谨,有效保证了数据的一致性,在C/S应用上有诸多成熟方案。 但是他的缺点与优点一样的明显:

  1. 悲观锁适用于可靠的持续性连接,诸如C/S应用。 对于Web应用的HTTP连接,先天不适用。
  2. 锁的使用意味着性能的损耗,在高并发、锁定持续时间长的情况下,尤其严重。 Web应用的性能瓶颈多在数据库处,使用悲观锁,进一步收紧了瓶颈。
  3. 非正常中止情况下的解锁机制,设计和实现起来很麻烦,成本还很高。
  4. 不够严谨的设计下,可能产生莫名其妙的,不易被发现的, 让人头疼到想把键盘一巴掌碎的死锁问题。

总体来看,悲观锁不大适应于Web应用,Yii团队也认为悲观锁的实现过于麻烦, 因此,ActiveRecord也没有提供悲观锁。

作为Yii的构成基因之一的Ruby on rails,他的ActiveReocrd模型,倒是提供了悲观锁, 但是使用起来也很麻烦。

悲观锁的实现

虽然悲观锁在Web应用上存在诸多不足,实现悲观锁也需要解决各种麻烦。但是, 当用户提出他就是要用悲观锁时,牙口再不好的码农,就是咬碎牙也是要啃下这块骨头来。

对于一个典型的Web应用而言,这里提供个人常用的方法来实现悲观锁。

首先,在要锁定的表里,加一个字段如 locked_at ,表示当前记录被锁定时的时间, 当为 0 时,表示该记录未被锁定,或者认为这是1970年时加的锁。

当要修改某个记录时,先看看当前时间与 locked_at 字段相差是否超过预定的一个时长T,比如 30 min ,1 h 之类的。

如果没超过,说明该记录有人正在修改,我们暂时不能打开(读取)他来修改。 否则,说明可以修改,我们先将当前时间戳保存到该记录的 locked_at 字段。 那么之后的时长T内如果有人要来改这个记录,他会由于加锁失败而无法读取, 从而无法修改。

我们在完成修改后,即将保存时,要比对现在的 locked_at 。只有在 locked_at 一致时,才认为刚刚是我们加的锁,我们才可以保存。 否则,说明在我们加锁后,又有人加了锁正在修改, 或者已经完成了修改,使得 locked_at 归 0。

这种情况主要是由于我们的修改时长过长,超过了预定的T。原先的加锁自动解开, 其他用户可以在我们加锁时刻再过T之后,重新加上自己的锁。换句话说, 此时悲观锁退化为乐观锁。

大致的原理性代码如下:

// 悲观锁AR基类,需要使用悲观锁的AR可以由此派生
class PLockAR extends yiidbBaseActiveRecord {
  // 声明悲观锁使用的标记字段,作用类似于 optimisticLock() 方法
  public function pesstimisticLock() {
    return null;
  }

  // 定义锁定的最大时长,超过该时长后,自动解锁。
  public function maxLockTime() {
    return 0;
  }

  // 尝试加锁,加锁成功则返回true
  public function lock() {
    $lock = $this->pesstimisticLock();
    $now = time();
    $values = [$lock => $now];
    // 以下2句,更新条件为主键,且上次锁定时间距现在超过规定时长
    $condition = $this->getOldPrimaryKey(true);
    $condition[] = [‘<‘, $lock, $now - $this->maxLockTime()];

    $rows = $this->updateAll($values, $condition);
    // 加锁失败,返回 false
    if (! $rows) {
      return false;
    }
    return true;
  }

  // 重载updateInternal()
  protected function updateInternal($attributes = null)
  {
    // 这些与原来代码一样
    if (!$this->beforeSave(false)) {
      return false;
    }
    $values = $this->getDirtyAttributes($attributes);
    if (empty($values)) {
      $this->afterSave(false, $values);
      return 0;
    }
    $condition = $this->getOldPrimaryKey(true);

    // 改为获取悲观锁标识字段
    $lock = $this->pesstimisticLock();

    // 如果 $lock 为 null,那么,不启用悲观锁。
    if ($lock !== null) {
      // 等下保存时,要把标识字段置0
      $values[$lock] = 0;

      // 这里把原来的标识字段值作为更新的另一个条件
      $condition[$lock] = $this->$lock;
    }
    $rows = $this->updateAll($values, $condition);

    // 如果已经启用了悲观锁,但是却没有完成更新,或者更新的记录数为0;
    // 那就说明之前的加锁已经自动失效了,记录正在被修改,
    // 或者已经完成修改,于是抛出异常。
    if ($lock !== null && !$rows) {
      throw new StaleObjectException(‘The object being updated is outdated.‘);
    }
    $changedAttributes = [];
    foreach ($values as $name => $value) {
      $changedAttributes[$name] = isset($this->_oldAttributes[$name]) ? $this->_oldAttributes[$name] : null;
      $this->_oldAttributes[$name] = $value;
    }
    $this->afterSave(false, $changedAttributes);
    return $rows;
  }
}

上面的代码对比乐观锁,主要不同点在于:

  1. 新增加了一个加锁方法,一个获取锁定最大时长的方法。
  2. 保存时不再是把标识字段+1,而是把标识字段置0。

在具体使用方法上,可以参照以下代码:

// 从PLockAR派生模型类
class Post extends PLockAR {
  // 重载定义悲观锁标识字段,如 locked_at
  public function pesstimisticLock() {
    return ‘locked_at‘;
  }
  // 重载定义最大锁定时长,如1小时
  public function maxLockTime() {
    return 3600000;
  }
}

// 修改前要尝试加锁
class SectionController extends Controller {
  public function actionUpdate($id)
  {
    $model = $this->findModel($id);

    if ($model->load(Yii::$app->request->post()) && $model->save()) {
      return $this->redirect([‘view‘, ‘id‘ => $model->id]);
    } else {
      // 加入一个加锁的判断
      if (!$model->lock()) {
        // 加锁失败
        // ... ...
      }
      return $this->render(‘update‘, [
        ‘model‘ => $model,
      ]);
    }
  }
}

上述方法实现的悲观锁,避免了使用数据库自身的锁机制,契合Web应用的特点, 具有一定的适用性,但是也存在一定的缺陷:

  1. 最长允许锁定时长会带来一定的副作用。时间定得长了,可能要等很长时间, 才能重新编辑非正常解锁的记录。时间定得短了,则经常退化成乐观锁。
  2. 时间戳精度问题。如果精度不够,那么在加锁时,与我们讨论过的乐观锁失效存, 在同样的漏洞。
  3. 这种形式的锁定,只是应用层面的锁定,并非数据库层面的锁定。 如果存在应用之外对于数据库的写入操作。这个锁定机制是无效的。

以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持帮客之家。

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