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Yii2.0樂觀鎖與悲觀鎖實例詳解

小云云

Feb 01, 2018 am 11:14 AM

實例詳解

Web應用程式往往面臨多用戶環境，這種情況下的並發寫入控制，幾乎成為每個開發人員都必須掌握的技能。本文主要與大家介紹Yii2.0樂觀鎖與悲觀鎖的原理與使用，希望能幫助大家。

在並發環境下，有可能會出現髒讀（Dirty Read）、不可重複讀取（Unrepeatable Read）、幻讀（Phantom Read）、更新遺失（Lost update）等情況。具體的表現可以自行搜尋。

為了回應這些問題，主流資料庫都提供了鎖定機制，並引入了事務隔離層級的概念。這裡我們都不作解釋了，拿這些關鍵字一搜，網路上大把大把的。

但是，就於具體開發過程而言，一般分為悲觀鎖和樂觀鎖兩種方式來解決並發衝突問題。

樂觀鎖

樂觀鎖（optimistic locking）表現出大膽、務實的態度。使用樂觀鎖的前提是，實際應用當中，發生衝突的機率比較低。他的設計和實現直接而簡潔。目前Web應用中，樂觀鎖的使用佔有絕對優勢。

因此，Yii也為ActiveReocrd提供了樂觀鎖定支援。

根據Yii的官方文檔，使用樂觀鎖，總共分4步：

為需要加鎖的表增加一個字段，用於表示版本號。當然相應的Model也要為該欄位的加入，並做出適當調整。例如， rules() 中要加入該欄位。
重載 yii\db\ActiveRecord::optimisticLock() 方法，傳回上一個步驟中的欄位名稱。
在記錄的修改頁面表單中，加入一個用於暫存讀取時的記錄的版本號。
在儲存程式碼的地方，使用 try ... catch 看看是否能擷取一個 yii\db\StaleObjectException 例外。如果是，說明在本次修改這個記錄的過程中，該記錄已經被修改過了。簡單應對的話，可以作出相應提示。智能點的話，可以合併不衝突的修改，或顯示一個diff頁面。

本質上來講，樂觀鎖並沒有像悲觀鎖那樣使用資料庫的鎖定機制。樂觀鎖定透過在表中增加一個計數字段，來表示當前記錄被修改的次數（版本號）。

然後在更新、刪除前透過比對版本號來實現樂觀鎖定。

宣告版本號碼欄位

版本號碼是實現樂觀鎖定的根本所在。所以第一步，我們要告訴Yii，哪個欄位是版本號碼欄位。這個由 yii\db\BaseActiveRecord 負責:

public function optimisticLock()
{
  return null;
}

這個方法傳回 null ，表示不使用樂觀鎖。那麼我們的Model中，要對此進行重載。傳回一個字串，表示我們用來標識版本號的欄位。例如可以這樣:

public function optimisticLock()
{
  return &#39;ver&#39;;
}

說明目前的ActiveRecord中，有一個 ver 字段，可以為樂觀鎖所用。那麼Yii具體是如何借助這個 ver 字段實現樂觀鎖的呢？

更新過程

具體來講，使用樂觀鎖定之後的更新過程，就是這麼一個流程：

讀取要更新的記錄。
對記錄依照使用者的意願進行修改。當然，這個時候不會修改 ver 欄位。這個欄位對使用者是沒意義的。
在儲存記錄前，再次讀取這個記錄的 ver 字段，與先前讀取的值進行比對。
如果 ver 不同，表示在使用者修改過程中，這個記錄被別人改動過了。那麼，我們要給提示。
如果 ver 相同，表示這個記錄沒有修改過。那麼，對 ver ＋1，並保存這個記錄。這樣子就完成了記錄的更新。同時，該記錄的版本號碼也加了1。

由於ActiveRecord的更新過程最終都需要呼叫 yii\db\BaseActiveRecord::updateInteranl() ，理所當然地，處理樂觀鎖的程式碼，也就隱藏在這個方法中:

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(&#39;The object being updated is outdated.&#39;);
  }
  $changedAttributes = [];
  foreach ($values as $name => $value) {
    $changedAttributes[$name] = isset($this->_oldAttributes[$name]) ? $this->_oldAttributes[$name] : null;
    $this->_oldAttributes[$name] = $value;
  }
  $this->afterSave(false, $changedAttributes);
  return $rows;
}

從上面的程式碼中，我們不難得出：

當optimisticLock( ) 當傳回null 時，樂觀鎖不會啟用。
版本號只增不減。
透過樂觀鎖的條件有2個，一是主鍵要存在，二是要能完成更新。
當啟用樂觀鎖定後，只有下列兩種情況會拋出StaleObjectException 例外：

當記錄在被別人刪除後，由於主鍵已經不存在，更新失敗。
版本號碼已經變更，不滿足更新的第二個條件。

刪除過程

與更新過程相比，刪除過程的樂觀鎖，更簡單，更能理解。程式碼仍在 yii\db\BaseActiveRecord 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(&#39;The object being deleted is outdated.&#39;);
    }
    $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：

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。
版本号字段 ver 默认值为 0 。
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。
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。
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。
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：

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）。
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。
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。
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：

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。
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。
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。
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 \yii\db\BaseActiveRecord {
  // 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[] = [&#39;<&#39;, $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(&#39;The object being updated is outdated.&#39;);
    }
    $changedAttributes = [];
    foreach ($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：

新增加了一个加锁方法，一个获取锁定最大时长的方法。
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 &#39;locked_at&#39;;
  }
  // 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([&#39;view&#39;, &#39;id&#39; => $model->id]);
    } else {
      // 加入一个加锁的判断
      if (!$model->lock()) {
        // 加锁失败
        // ... ...
      }
      return $this->render(&#39;update&#39;, [
        &#39;model&#39; => $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：