代码改变世界

Java CAS 和ABA问题

2014-06-03 23:42 by Loull, ... 阅读, ... 评论, 收藏, 编辑

独占锁:是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。

乐观锁:每次不加锁,假设没有冲突去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。

一、CAS 操作

乐观锁用到的机制就是CAS,Compare and Swap。

CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

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。

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CPU的CAS指令,同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

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。

 

二、ABA问题

CAS看起来很爽,但是会导致“ABA问题”。

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,那么在这个时间差类会导致数据的变化。

比如说一个线程one从内存位置V中取出A,这时候另一个线程two也从内存中取出A,并且two进行了一些操作变成了B,然后two又将V位置的数据变成A,这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功,但是不代表这个过程就是没有问题的。如果链表的头在变化了两次后恢复了原值,但是不代表链表就没有变化。因此前面提到的原子操作AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。这允许一对变化的元素进行原子操作。

 

在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题:

线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B,在此之前,线程2将变量的值由A替换为C,又由C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,尽管CAS成功,但可能存在潜藏的问题,例如下面的例子:

现有一个用单向链表实现的堆栈,栈顶为A,这时线程T1已经知道A.next为B,然后希望用CAS将栈顶替换为B:

head.compareAndSet(A,B);

在T1执行上面这条指令之前,线程T2介入,将A、B出栈,再pushD、C、A,此时堆栈结构如下图,而对象B此时处于游离状态:

此时轮到线程T1执行CAS操作,检测发现栈顶仍为A,所以CAS成功,栈顶变为B,但实际上B.next为null,所以此时的情况变为:

其中堆栈中只有B一个元素,C和D组成的链表不再存在于堆栈中,平白无故就把C、D丢掉了。

以上就是由于ABA问题带来的隐患,各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记,避免并发操作带来的问题,在Java中,AtomicStampedReference<E>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,例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新,AtomicInteger会成功执行CAS操作,而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败:

package concur.lock;

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

public class ABA {
    
    private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = 
            new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                atomicInt.compareAndSet(101, 100);
            }
        });
        
        Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                System.out.println(c3);        //true
            }
        });
        
        intT1.start();
        intT2.start();
        intT1.join();
        intT2.join();
        
        Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, 
                        atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, 
                        atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
            }
        });
        
        Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int stamp = atomicStampedRef.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 = " + atomicStampedRef.getStamp());//stamp = 1
                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp+1);
                System.out.println(c3);        //false
            }
        });
        
        refT1.start();
        refT2.start();
    }

}

 

 

Reference:

非阻塞算法简介

流行的原子

深入浅出 Java Concurrency (5): 原子操作 part 4

用AtomicStampedReference解决ABA问题