多线程CAS+ABA问题

被多线程ABA坑的一次,带你一文了解并预防。

CAS是(Compare and Swap)的缩写
1、非阻塞算法 (nonblocking algorithms)

一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。

现代的CPU提供了特殊的指令,可以自动更新共享数据,而且能够检测到其他线程的干扰,而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。

2、AtomicInteger示例

拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

private volatile int value;

在没有锁的机制下需要借助volatile原语,保证线程间的数据是可见的(共享的)。

这样才获取变量的值的时候才能直接读取。

public final int get() {
    return value;
}

然后来看看 ++i 是怎么做到的。

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

在这里采用了CAS操作,每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作,如果成功就返回结果,否则重试直到成功为止。

而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  
private static final long valueOffset;// 注意是静态的  

static {  
  try {  
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset  
        (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性,获取其在内存中的位置  
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }  
}  

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
}  

整体的过程就是这样子的,利用Unsafe类的JNI方法实现,使用CAS指令,可以保证读-改-写是一个原子操作。compareAndSwapInt有4个参数,this - 当前AtomicInteger对象,Offset - value属性在内存中的位置(需要强调的是不是value值在内存中的位置),expect - 预期值,update - 新值,根据上面的CAS操作过程,当内存中的value值等于expect值时,则将内存中的value值更新为update值,并返回true,否则返回false。在这里我们有必要对Unsafe有一个简单点的认识,从名字上来看,不安全,确实,这个类是用于执行低级别的、不安全操作的方法集合,这个类中的方法大部分是对内存的直接操作,所以不安全,但当我们使用反射、并发包时,都间接的用到了Unsafe。

而整个J.U.C都是建立在CAS之上的,因此对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。参考资料的文章中介绍了如果利用CAS构建非阻塞计数器、队列等数据结构。

多线程CAS+ABA问题_第1张图片

但是假设线程A阻塞的时候,然后线程B先执行了,在执行线程A这是允许的。这个时候A是可以在去更新的。这个过程就是ABA的问题。

然后可以通过AtomicStampedReference原子类去操作。本质上来说就是通过乐观锁区控制,更新前先获取一下当前版本,然后更新的时候看是不是当前版本。

实例代码:

package com.kk.juc.juc.demo;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;


/**
 * @author DKodak
 * @version Id: CASDemo.java, v 0.1 2021/8/13 10:21 下午 lai_kd Exp $$
 */
public class CASDemo {
    /**AtomicStampedReference 注意,如果泛型是一个包装类,注意对象的引用问题
     * 正常在业务操作,这里面比较的都是一个个对象
     */
     static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);

    // CAS compareAndSet : 比较并交换!
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            // 获得版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("a1=>" + stamp);
            
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 修改操作时,版本号更新 + 1
            atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            
            System.out.println("a2=>" + atomicStampedReference.getStamp());
            // 重新把值改回去, 版本号更新 + 1
            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(2, 1,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp() + 1));
            System.out.println("a3=>" + atomicStampedReference.getStamp());
        }, "a").start();
        
        // 乐观锁的原理相同!
        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); 
            System.out.println("b1=>" + stamp);
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicStampedReference.compareAndSet(1, 3,
                    stamp, stamp + 1));
            System.out.println("b2=>" + atomicStampedReference.getStamp());
        }, "b").start();
    }
}

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