使用CAS引发ABA问题

Posted 2023-03-18

参考技术A 由于CAS原子操作性能高，因此其在JUC包中被广泛引用，只不过如果使用得不合理，CAS原子操作就会存在ABA问题。

什么是ABA问题？比如一个线程A从内存位置M中取出V1，另一个线程B也取出V1。现在假设线程B进行了一些操作之后将M位置的数据V1变成了V2，然后又在一些操作之后将V2变成了V1。之后，线程A进行CAS操作，但是线程A发现M位置的数据仍然是V1，然后线程A操作成功。尽管线程A的CAS操作成功，但是不代表这个过程是没有问题的，线程A操作的数据V1可能已经不是之前的V1，而是被线程B替换过的V1，这就是ABA问题。

很多乐观锁的实现版本都是使用版本号（Version）方式来解决ABA问题。乐观锁每次在执行数据的修改操作时都会带上一个版本号，版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行加1操作，否则执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现ABA问题，因为版本号只会增加，不会减少。

参考乐观锁的版本号，JDK提供了一个AtomicStampedReference类来解决ABA问题。AtomicStampReference在CAS的基础上增加了一个Stamp（印戳或标记），使用这个印戳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。

AtomicStampReference的compareAndSet()方法首先检查当前的对象引用值是否等于预期引用，并且当前印戳（Stamp）标志是否等于预期标志，如果全部相等，就以原子方式将引用值和印戳（Stamp）标志的值更新为给定的更新值。

AtomicStampReference的构造器有两个参数，具体如下：

AtomicStampReference常用的几个方法如下：

AtomicStampedReference的CAS操作的定义如下：

compareAndSet()方法的第一个参数是原来的CAS中的参数，第二个参数是替换后的新参数，第三个参数是原来CAS数据旧的版本号，第四个参数表示替换后的新参数版本号。

进行CAS操作时，若当前引用值等于预期引用值，并且当前印戳值等于预期印戳值，则以原子方式将引用值和印戳值更新为给定的更新值。

AtomicMarkableReference是AtomicStampedReference的简化版，不关心修改过几次，只关心是否修改过。因此，其标记属性mark是boolean类型，而不是数字类型，标记属性mark仅记录值是否修改过。

AtomicMarkableReference适用于只要知道对象是否被修改过，而不适用于对象被反复修改的场景。

Java中CAS-ABA的问题解决方案

忻州SEO摘要

CAS即对比交换，它在保证数据原子性的前提下尽可能的减少了锁的使用，很多编程语言或者系统实现上都大量的使用了CAS。

 

了解CAS（Compare-And-Swap）

CAS即对比交换，它在保证数据原子性的前提下尽可能的减少了锁的使用，很多编程语言或者系统实现上都大量的使用了CAS。

JAVA中CAS的实现

JAVA中的cas主要使用的是Unsafe方法，Unsafe的CAS操作主要是基于硬件平台的汇编指令，目前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。

Unsafe提供了三个方法用于CAS操作，分别是

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<p style="line-height: 1.5em;">public final native boolean compareAndSwapObject(Object value, long valueOffset, Object expect, Object update);<br>public final native boolean compareAndSwapInt(Object value, long valueOffset, int expect, int update);<br>public final native boolean compareAndSwapLong(Object value, long valueOffset, long expect, long update);<br></p>

• value 表示 需要操作的对象

• valueOffset 表示 对象(value)的地址的偏移量（通过Unsafe.objectFieldOffset(Field valueField)获取）

• expect 表示更新时value的期待值

• update 表示将要更新的值

具体过程为每次在执行CAS操作时，线程会根据valueOffset去内存中获取当前值去跟expect的值做对比如果一致则修改并返回true，如果不一致说明有别的线程也在修改此对象的值，则返回false

Unsafe类中compareAndSwapInt的具体实现：

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<p style="line-height: 1.5em;">UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))<br>  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");<br>  oop p = JNIHandles::resolve(obj);<br>  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;<br>UNSAFE_END<br></p>

ABA问题

线程1准备用CAS修改变量值A，在此之前，其它线程将变量的值由A替换为B，又由B替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了。

 

aba.png

例子

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<p style="line-height: 1.5em;">public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1);public static void main(String[] args){<br>    Thread main = new Thread(() -> {<br>        System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",初始值 = " + a);  //定义变量 a = 1<br>        try {<br>            Thread.sleep(1000);  //等待1秒 ，以便让干扰线程执行<br>        } catch (InterruptedException e) {<br>            e.printStackTrace();<br>        }        boolean isCASSuccess = a.compareAndSet(1,2); // CAS操作<br>        System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",CAS操作结果: " + isCASSuccess);<br>    },"主操作线程");<br><br>    Thread other = new Thread(() -> {<br>        Thread.yield();  //确保thread-main线程优先执行<br>        a.incrementAndGet(); // a 加 1, a + 1 = 1 + 1 = 2<br>        System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ a);<br>        a.decrementAndGet(); // a 减 1, a - 1 = 2 - 1 = 1<br>        System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ a);<br>    },"干扰线程");<br><br>    main.start();<br>    other.start();<br>}<br></p>

输出> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],初始值 = 1>
操作线程Thread[干扰线程,5,main],【increment】 ,值 = 2>
操作线程Thread[干扰线程,5,main],【decrement】 ,值 = 1>
操作线程Thread[主操作线程,5,main],CAS操作结果: true

解决ABA方案

思路

解决ABA最简单的方案就是给值加一个修改版本号，每次值变化，都会修改它版本号，CAS操作时都对比此版本号。

aba_2.png

JAVA中ABA中解决方案(AtomicStampedReference)

AtomicStampedReference主要维护包含一个对象引用以及一个可以自动更新的整数"stamp"的pair对象来解决ABA问题。

 

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//关键代码 public class AtomicStampedReference<V> {     private static class Pair<T> {         final T reference;  //维护对象引用         final int stamp;  //用于标志版本         private Pair(T reference, int stamp) {             this.reference = reference;             this.stamp = stamp;         }         static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {             return new Pair<T>(reference, stamp);         }     }     private volatile Pair<V> pair;     ....     /**       * expectedReference ：更新之前的原始值       * newReference : 将要更新的新值       * expectedStamp : 期待更新的标志版本       * newStamp : 将要更新的标志版本       */     public boolean compareAndSet(V   expectedReference,                                  V   newReference,                                  int expectedStamp,                                  int newStamp) {         Pair<V> current = pair; //获取当前pair         return             expectedReference == current.reference && //原始值等于当前pair的值引用，说明值未变化             expectedStamp == current.stamp && // 原始标记版本等于当前pair的标记版本，说明标记未变化             ((newReference == current.reference &&               newStamp == current.stamp) || // 将要更新的值和标记都没有变化              casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); // cas 更新pair     } }

例子

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private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef =         new AtomicStampedReference<>(1, 0); public static void main(String[] args){     Thread main = new Thread(() -> {         System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",初始值 a = " + atomicStampedRef.getReference());         int stamp = atomicStampedRef.getStamp(); //获取当前标识别         try {             Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便让干扰线程执行         } catch (InterruptedException e) {             e.printStackTrace();         }         boolean isCASSuccess = atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,stamp,stamp +1);  //此时expectedReference未发生改变，但是stamp已经被修改了,所以CAS失败         System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",CAS操作结果: " + isCASSuccess);     },"主操作线程");     Thread other = new Thread(() -> {         Thread.yield(); // 确保thread-main 优先执行 atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);         System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());         atomicStampedRef.compareAndSet(2,1,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);         System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());     },"干扰线程");     main.start();     other.start(); }

 

// 输出

> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],初始值 a = 2

> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【increment】 ,值 = 2

> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【decrement】 ,值 = 1

> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],CAS操作结果: false

来源：内蒙古SEO