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
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