java 中的CAS与ABA 详解java 中的CAS与ABA

开发架构二三事 2021-05-10 我要评论

想了解详解java 中的CAS与ABA的相关内容吗，开发架构二三事在本文为您仔细讲解java 中的CAS与ABA的相关知识和一些Code实例，欢迎阅读和指正，我们先划重点：java,CAS,java,aba，下面大家一起来学习吧。

1. 独占锁：

属于悲观锁，有共享资源，需要加锁时，会以独占锁的方式导致其它需要获取锁才能执行的线程挂起，等待持有锁的钱程释放锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。Java中synchronized和ReentrantLock等独占锁就是悲观锁的思想。

1.1 乐观锁的操作

多线程并发修改一个值时的实现：

public class SimulatedCAS {
	//加volatile的目的是利用其happens-before原则，保证线程可见性
     private volatile int value;
 
     public synchronized int getValue() { return value; }
 
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
         int oldValue = value;
         if (value == expectedValue)
             value = newValue;
         return oldValue;
     }
}

2. 乐观锁：

总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库提供的类似于write_condition机制，其实都是提供的乐观锁。在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用了乐观锁的一种实现方式CAS实现的。乐观锁一般会使用版本号机制或CAS算法实现。

2.1 CAS操作

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”
通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A，执行多步计算来获得新值 B，然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。
类似于 CAS 的指令允许算法执行读-修改-写操作，而无需害怕其他线程同时修改变量，因为如果其他线程修改变量，那么 CAS 会检测它（并失败），算法可以对该操作重新计算。 CAS实现计数器的操作：

public class CasCounter {
    private SimulatedCAS value;
    public int getValue() {
        return value.getValue();
    }
    public int increment() {
        int oldValue = value.getValue();
        while (value.compareAndSwap(oldValue, oldValue + 1) != oldValue)
            oldValue = value.getValue();
        return oldValue + 1;
    }
}

3. 原子变量类

JDK5.0之后加入了java.util.concurrent.atomic 包，其中的AtomicInteger； AtomicLong； AtomicReference； AtomicBoolean 等都是在CAS基础上实现的。

4. CAS的缺陷

循环时间太长，如果自旋长时间不成功，会给cpu带来极大的开销，有兴趣的可以使用JMH测试下AtomicLong 和 LongAdder的性能。
ABA问题： CAS需要检查待操作值有没有发生改变，如果没有发生改变则更新。但是存在这样一种情况：如果一个值原来是A，变成了B，然后又变成了A，那么在CAS检查的时候会发现没有改变，但是实质上它已经发生了改变，这就是所谓的ABA问题。在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题：比如线程1从内存位置V中取出A，这时另一个线程2也从内存中取出A，并且线程2进行了操作之后变成了B，然线程2又将V位置数据变成了A，这时候线程1进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后线程1 操作成功。看上去是成功了，实际上有隐藏的问题：现有一个用单向链表实现的FIFO堆栈，栈顶为A，这时线程1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B，在线程1执行上面这条指令之前，线程2 介入，将A、B出栈，再push D、C、A,此时A位于栈顶，B已经不在栈中；此时线程1执行CAS，发现栈顶仍为A，所以CAS成功，即将栈顶变成B，但实际上此时B与当前栈中元素D、C没有关系，B.next为null，这样一来就直接把C、D丢掉了。对于ABA问题其解决方案是加上版本号，即在每个变量都加上一个版本号，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成A(1) —> B(2) —> A(3)。 java中AtomicStampedReference也实现了这个作用，它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题。

public class AtomicTest {

	private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);

	private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference =
			new AtomicStampedReference<Integer>(99, 0);

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread thread1 = new Thread(() -> {
			atomicInteger.compareAndSet(99, 100);
			atomicInteger.compareAndSet(100, 99);
		});

		Thread thread2 = new Thread(() -> {
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			}catch (InterruptedException e){
				e.printStackTrace();
			}
			boolean b = atomicInteger.compareAndSet(99, 100);
			System.out.println(b);

		});
		thread1.start();
		thread2.start();
		thread1.join();
		thread2.join();

		Thread refT1 = new Thread(() -> {
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			atomicStampedReference.compareAndSet(99, 100,
					atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
			atomicStampedReference.compareAndSet(100, 99,
					atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
		});

		Thread refT2 = new Thread(() -> {
			int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
			System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp);    // stamp = 0
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());//stamp = 1
			boolean c3 = atomicStampedReference.compareAndSet(99, 100, stamp, stamp+1);
			System.out.println(c3);        //false
		});
		refT1.start();
		refT2.start();
	}
}

结果如下：

true
before sleep : stamp = 0
after sleep : stamp = 2
false

也就是说AtomicInteger更新成功，而AtomicStampedReference更新失败。