Was sind optimistische und pessimistische Sperren?

Optimistische und pessimistische Sperren sind Ansätze zur Verwaltung des parallelen Zugriffs auf gemeinsame Daten in konkurrierenden Umgebungen (Multithread-Anwendungen, Datenbanken).

Pessimistische Sperrung:

Geht davon aus, dass Konflikte beim Zugriff auf Daten wahrscheinlich sind. Bevor auf eine Ressource zugegriffen wird, sperrt der Thread oder die Transaktion sie (exklusiv oder gemeinsam). Andere Threads, die versuchen, darauf zuzugreifen, warten, bis die Sperre aufgehoben wird.

• Vorteile: Gewährleistet die Integrität der Daten, ist einfach in der Implementierung bei geringer Konkurrenz.
• Nachteile: Kann zu Sperrungen (Warten) führen, die Durchsatzrate bei hoher Konkurrenz verringern (Deadlocks).
• Beispiele: das Schlüsselwort synchronized in Java, Sperren auf Zeilen- oder Tabelleneebene in Datenbanken.

// Beispiel für pessimistische Sperrung in Java
public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++; // Sperre auf dem Objekt, nur ein Thread kann diese Methode gleichzeitig ausführen
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

Optimistische Sperrung:

Geht davon aus, dass Konflikte beim Zugriff auf Daten unwahrscheinlich sind. Der Zugriff erfolgt ohne Sperren. Vor dem Speichern wird geprüft, ob die Daten seit dem Lesen durch einen anderen Thread geändert wurden. Falls ja, wird die Operation abgebrochen und meist wiederholt (Retry).

• Vorteile: Hohe Durchsatzrate bei niedriger Konkurrenz, keine Probleme mit Deadlocks.
• Nachteile: Konflikte können auftreten, die erneute Versuche erfordern, was die Logik verkompliziert. Nicht geeignet für lang laufende Operationen oder bei hoher Konfliktwahrscheinlichkeit.
• Beispiele: Compare-And-Swap (CAS)-Operationen, Versionsverwaltung in Datenbanken (z.B. Verwendung einer Versionsspalte oder Zeitstempel).

// Beispiel für optimistische Sperrung mit CAS (java.util.concurrent.atomic)
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicCounter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        // Versuch, atomar zu erhöhen
        // Wenn sich der Wert zwischen Lesen und Aktualisierung ändert, wird der Versuch wiederholt
        count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

Vergleich:

Merkmal	Pessimistische Sperrung	Optimistische Sperrung
Annahme	Konflikte sind wahrscheinlich	Konflikte sind unwahrscheinlich
Ansatz	Sperre bis zum Zugriff	Zugriff ohne Sperre, Überprüfung beim Schreiben
Bei hoher Konkurrenz	Kann Sperren verursachen, Durchsatz verringern	Häufige Neustarts, Leistung verringern
Bei niedriger Konkurrenz	Kann Overhead erzeugen	Hohe Verarbeitungskapazität
Deadlock-Problem	Möglich	Unmöglich (aus Sicht des gleichzeitigen Zugriffs auf Ressourcen)