JAVA中CAS-ABA的问题解决方案AtomicStamped
2018-01-31 本文已影响283人
孙成酱子说
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
public final native boolean compareAndSwapObject(Object value, long valueOffset, Object expect, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object value, long valueOffset, int expect, int update);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object value, long valueOffset, long expect, long update);
- 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：
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
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
public static AtomicInteger a = new AtomicInteger(1);
public static void main(String[] args){
Thread main = new Thread(() -> {
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",初始值 = " + a); //定义变量 a = 1
try {
Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便让干扰线程执行
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean isCASSuccess = a.compareAndSet(1,2); // CAS操作
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线程优先执行
a.incrementAndGet(); // a 加 1, a + 1 = 1 + 1 = 2
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ a);
a.decrementAndGet(); // a 减 1, a - 1 = 2 - 1 = 1
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ a);
},"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 = 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。
//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
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
