CAS与ABA问题及解决方式

时间:2022-03-31 02:30:47

CAS与ABA问题及解决方式

要了解ABA问题,我们得先知道什么是CAS,CAS 全称是 compare and swap,是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。CAS的出现主要是为了解决多线程并发情况下,数据的不一致问题。

CAS底层原理

CAS 的思想很简单:三个参数,一个当前内存值 V、旧的预期值 A、即将更新的值 B,当且仅当预期值 A 和内存值 V 相同时,将内存值修改为 B 并返回 true,否则什么都不做,并返回 false

Unsafe类

Unsafe类是CAS的核心类,由于Java方法无法直接访问底层系统,需要通过本地(native)方法来访问,基于该类可以直接操作特定内存的数据。Unsafe类存在与sum.misc包中,其内部实现是C++写的,我从JDK1.8源码中截取了关键代码

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) 

 UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); 

 oop p = JNIHandles::resolve(obj); 

 jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset); 

 return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e; 

UNSAFE_END 

从上面代码可以看出最后调用的是Atomic:comxchg这个方法,这个方法的实现放在hotspot下的os_cpu包中,说明这个方法的实现和操作系统、CPU都有关系,以多核CPU为例:

  • 首先会判断CPU是否为多核,如果是多核加一个lock内存屏障,这样就可以防止多线程并发情况竞争发生
  • 进行对比交换,调用汇编指令cmpxchg获取新值并设值。

CAS问题

cas实现

从JDK1.5开始,java.util.concurrent包为我们提供了许多cas操作类诸如:AtomicInteger,

AtomicLong,AtomicReference,它提供了轻量级的锁机制有着更好的性能,但同时也会出现一些问题,我们通过一张图来说明:

CAS与ABA问题及解决方式

上图运行过程中可能会出现两个问题:

  • 线程3可能一直拿不到最新的值,导致线程自旋
  • 主内存有个数据值:A,两个线程A和B分别copy主内存数据到自己的工作区,A执行比较慢,需要10秒, B执行比较快,需要2秒, 此时B线程将主内存中的数据更改为B,过了一会又更改为A,然后A线程执行比较,发现结果是A,以为别人没有动过,然后执行更改操作。其实中间已经被更改过了,这就是ABA问题。

ABA问题的优化

ABA问题导致的原因,是CAS过程中只简单进行了“值”的校验,再有些情况下,“值”相同不会引入错误的业务逻辑(例如库存),有些情况下,“值”虽然相同,却已经不是原来的数据了。那如何能避免ABA问题呢?优化的方式也很简单,就是不能只对值进行比较,通过对值打标签的方式就能很好的避免ABA问题。JAVA中也为我们提供了相应的处理类AtomicStampReferenceAtomicStampReference在cas的基础上增加了一个标记stamp,使用这个标记可以用来觉察数据是否发生变化,给数据带上了一种实效性的检验。它有以下几个参数:

//参数代表的含义分别是 期望值,写入的新值,期望标记,新标记值 

public boolean compareAndSet(V expected,V newReference,int expectedStamp,int newStamp); 

 

public V getRerference(); 

 

public int getStamp(); 

 

public void set(V newReference,int newStamp); 

我们通过一个示例来说明:

public class Test { 

 

private static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<Integer>(100); 

 

public static void main(String[] args) { 

new Thread(() -> { 

atomicReference.compareAndSet(100, 101); 

atomicReference.compareAndSet(101, 100); 

},"t1").start(); 

 

new Thread(() -> { 

try { 

TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 

} catch (InterruptedException e) { 

e.printStackTrace(); 

System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2021) + "\t修改后的值:" + atomicReference.get()); 

},"t2").start(); 

  • 初始值为100,线程t1将100改成101,然后又将101改回100
  • 线程t2先睡眠1秒,等待t1操作完成,然后t2线程将值改成2019

可以看到,线程2修改成功。输出结果:

true 修改后的值:2021 

要解决ABA问题,可以增加一个版本号,当内存位置V的值每次被修改后,版本号都加1AtomicStampedReference内部维护了对象值和版本号,在创建AtomicStampedReference对象时,需要传入初始值和初始版本号, 当AtomicStampedReference设置对象值时,对象值以及状态戳都必须满足期望值,写入才会成功

public class Test { 

 

 

private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(100,1); 

 

public static void main(String[] args) { 

new Thread(() -> { 

System.out.println("t1拿到的初始版本号:" + atomicStampedReference.getStamp()); 

 

//睡眠1秒,是为了让t2线程也拿到同样的初始版本号 

try { 

TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 

} catch (InterruptedException e) { 

e.printStackTrace(); 

atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1); 

atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1); 

},"t1").start(); 

 

new Thread(() -> { 

int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); 

System.out.println("t2拿到的初始版本号:" + stamp); 

 

//睡眠3秒,是为了让t1线程完成ABA操作 

try { 

TimeUnit.SECONDS.sleep(3); 

} catch (InterruptedException e) { 

e.printStackTrace(); 

System.out.println("最新版本号:" + atomicStampedReference.getStamp()); 

System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2021,stamp,atomicStampedReference.getStamp() + 1) + "\t当前 值:" + atomicStampedReference.getReference()); 

},"t2").start(); 

  • 初始值100,初始版本号1
  • 线程t1和t2拿到一样的初始版本号
  • 线程t1完成ABA操作,版本号递增到3
  • 线程t2完成CAS操作,最新版本号已经变成3,跟线程t2之前拿到的版本号1不相等,操作失败

输出结果:

t1拿到的初始版本号:1 

t2拿到的初始版本号:1 

最新版本号:3 

false当前 值:100 

原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/jFnefSRTybY8PeogRs8rRQ