當前位置：首頁 > 编程资源 > 编程问答 >内容正文

编程问答

CAS操作与ABA问题

發布時間：2024/3/24 编程问答 73 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 CAS操作与ABA问题小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

我們在使用鎖時，線程獲取鎖是一種悲觀鎖策略，即假設每一次執行臨界區代碼都會產生沖突，所以當前線程獲取到鎖的時候同時也會阻塞其他線程獲取該鎖。而CAS操作(又稱為無鎖操作)是一種樂觀鎖策略，它假設所有線程訪問共享資源的時候不會出現沖突，既然不會出現沖突自然而然就不會阻塞其他線程的操作。因此，線程就不會出現阻塞停頓的狀態。那么，如果出現沖突了怎么辦？無鎖操作是使用CAS(compare and swap)又叫做比較交換來鑒別線程是否出現沖突，出現沖突就重試當前操作直到沒有沖突為止。

CAS的操作過程

CAS即Compare and Swap，CAS比較交換的過程可以通俗的理解為CAS(V、A、B)，包含三個值分別為: V內存中實際值、 A預期原值(舊值) 、B更新的新值。當V和A相同時，也就是說舊值和內存中實際的值相同表明該值沒有被其他線程更改過，即該舊值A就是目前來說最新的值了，自然而然可以將新值B賦值給V。反之，V和A不相同，表明該值已經被其他線程改過了則該舊值A不是最新版本的值了，所以不能將新值B賦給V，返回V即可。當多個線程使用CAS操作一個變量時，只有一個線程會成功，并成功更新，其余會失敗。失敗的線程會重新嘗試，當然也可以選擇掛起線程。

CAS的實現需要硬件指令集的支撐，在JDK1.5后虛擬機才可以使用處理器提供的CMPXCHG指令實現。CAS支持原子更新操作，適用于計數器，序列發生器等場景(序列發生器就是用來給變量自增的工具)，CAS屬于樂觀鎖機制，號稱lock-free(其實只是上層感知無鎖，底層還是有加鎖操作的)。CAS操作失敗時由開發者決定是繼續嘗試還是執行別的操作。

基于CAS實現的工具

java.util.concurrent包都中的實現類都是基于volatile和CAS來實現的。尤其java.util.concurrent.atomic包下的原子類。就拿AtomicInteger來說：

可以看到 AtomicInteger 底層用的是volatile的變量和CAS來進行更改數據的。volatile保證可見性，多線程并發時，一個線程修改數據，可以保證其它線程立馬看到修改后的值，CAS則保證數據更新的原子性。

CAS多數情況下對開發者來說是透明的。J.U.C的atomic包提供了常用的原子性數據類型以及引用、數組等相關原子類型和更新操作工具，是很多線程安全程序的首選。Unsafe類雖提供CAS服務，但因能夠操縱任意內存地址讀寫而有隱患。JDK9以后，可以使用Variable Handle API來替代Unsafe

模擬實現CAS

CAS需要硬件層面的支持，所以模擬還是用synchronized來實現一下：

public class TestImplementCAS {
public static void main(String[] args) {
final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();

for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(()->{
int expectedValue = cas.get();
boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random() * 101));
System.out.println(b);
}).start();
}
}
}

class CompareAndSwap{
private int value;

//獲取內存值
public synchronized int get(){
return value;
}

//比較
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
int oldValue = value;

if(oldValue == expectedValue){
this.value = newValue;
}

return oldValue;
}

//設置
public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){
return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
}
}

CAS的缺點

1、ABA問題

因為CAS會檢查舊值有沒有變化，這里存在這樣一個有意思的問題。比如一個舊值A變為了成B，然后再變成A，剛好在做CAS時檢查發現舊值并沒有變化依然為A，但是實際上的確發生了變化。解決方案可以沿襲數據庫中常用的樂觀鎖方式，添加一個版本號可以解決。在JDK1.5后的atomic包中提供了AtomicStampedReference來解決ABA問題，解決思路就是這樣的。如果需要解決ABA問題，互斥與同步可能比CAS更高效。

2、自旋會浪費大量的處理器資源
與線程阻塞相比，自旋會浪費大量的處理器資源。這是因為當前線程仍處于運行狀況，只不過跑的是無用指令。它
期望在運行無用指令的過程中，鎖能夠被釋放出來。JVM給出的方案是自適應自旋，根據以往自旋等待時能否獲取鎖，來動態調整自旋的時間。

3、公平性問題
自旋狀態還帶來另外一個副作用，不公平的鎖機制。處于阻塞狀態的線程，無法立刻競爭被釋放的鎖。然而，處于
自旋狀態的線程，則很有可能優先獲得這把鎖。內建鎖無法實現公平機制，而lock體系可以實現公平鎖。

解決ABA問題

在JDK1.5后的atomic包中提供了AtomicStampedReference來解決ABA問題，它通過包裝[E，Integer]的元組來對對象標記版本stamp，從而避免ABA問題。在了解AtomicStampedReference之前我們可以先分析一下AtomicReference。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicReference<String> atomicReference = new AtomicReference<>();
atomicReference.set("AAA");

//CAS操作更新
boolean result = atomicReference.compareAndSet("AAA", "BBB");
System.out.println(result + " " + atomicReference.get());

//CAS操作更新
result = atomicReference.compareAndSet("AAA", "CCC");
System.out.println(result + " " + atomicReference.get());
}
}

AtomicReference的成員變量

//Unsafe類提供CAS操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

//value變量的偏移地址，這個偏移地址在static塊里初始化
private static final long valueOffset;

//實際傳入需要原子操作的那個類實例
private volatile V value;

compareAndSet方法是基于Unsafe提供的compareAndSwapObject方法，這里的compareAndSet方法即CAS操作本身是原子的，但是在某些場景下會出現異常場景，也就是ABA問題。我們使用AtomicStampedReference來解決這個問題，下面是AtomicStampedReference的關鍵結構：

public class AtomicStampedReference<V> {
private static class Pair<T> {
final T reference; //維護對象引用
final int stamp; //用于標志版本

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;
...
}

本文作者： Tim
本文鏈接： https://zouchanglin.cn/2020/04/02/892077598.html
版權聲明： 本博客所有文章除特別聲明外，均采用 CC BY-SA 4.0 許可協議。轉載請注明出處！

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CAS操作与ABA问题的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。