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墨滴

roshilikang

2021/09/09  阅读:23  主题:姹紫

AtomicStampedReference是怎样解决CAS的ABA问题

本文已收录 https://github.com/lkxiaolou/lkxiaolou 欢迎star。

什么是ABA问题

但凡对Java有一点深入就会知道 CAS,即 compareAndSwap。在Java中使用 Unsafe 类提供的native方法可以直接操作内存,其中就有对compareAndSwap的实现。

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

这里的 var1 指的是 当前对象,var2 是当前对象中 var1 的某个属性的偏移量,var4 是偏移量 var2 对应的属性的期望值,var5 是要交换的值,当对象的属性是期望值时,交互成功,否则交换失败,这是一个原子操作,只有一个线程会成功。所以它也是很多Java的线程安全实现的前提。

举个例子AtomicInteger count的初始值为 5,有两个线程期望将其设置为 10;此时两个线程都调用compareAndSet(底层也是compareAndSwapObject)

public static void main(String[] args) {
    final AtomicInteger count = new AtomicInteger(5);

    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception ignore) {
            }
            boolean re = count.compareAndSet(510);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " compareAndSet " + re);
        });
        thread.start();
    }
}

会如我们所愿,只有一个线程会成功。

这时如果再有一个线程将10设为5

public static void main(String[] args) {
    final AtomicInteger count = new AtomicInteger(5);

    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception ignore) {
            }
            boolean re = count.compareAndSet(510);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " compareAndSet " + re);
        });
        thread.start();
    }

    Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (Exception ignore) {
        }
        boolean re = count.compareAndSet(105);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " compareAndSet " + re);
    });
    thread.start();
}

你可能会看到这样的结果:

正常吗?正常,也不正常。说正常是按照我们的理解它就可能是这样的结果,但多执行几次你会发现还可能有这样的结果:

我们期望的5设置为10只有一个线程会成功结果成功了两个,好比给用户充值,余额5块,充值到10块,手快点了两次,同时也用这个账户来支付了一笔5块钱的订单,期望的是充值只有一笔成功,支付可以成功,按照后一种结果相当于充值了2次5块钱。这就是CAS中的ABA问题。

AtomicStampedReference 如何解决ABA问题

如何解决?思路很简单,每次compareAndSwap后给数据的版本号加1,下次compareAndSwap的时候不仅比较数据,也比较版本号,值相同,版本号不同也不能执行成功。Java中提供了AtomicStampedReference来解决该问题

public static void main(String[] args) {
    final AtomicStampedReference<Integer> count = new AtomicStampedReference<>(51);

    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(10);
            } catch (Exception ignore) {
            }

            boolean re = count.compareAndSet(51012);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "[recharge] compareAndSet " + re);
        });
        thread.start();
    }

    Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (Exception ignore) {
        }
        boolean re = count.compareAndSet(105, count.getStamp(), count.getStamp() + 1);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "[consume] compareAndSet " + re);
    });
    thread.start();
}

这就能保证充值只有一次能成功了。那么它是如何每次都让版本号更新的?

AtomicStampedReference 内部维护了一个 Pair的数据结构,用volatile修饰,保证可见性,用于打包数据对象和版本号

private static class Pair<T{
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
        this.reference = reference;
        this.stamp = stamp;
    }
}

它的compareAndSet方法如下

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp)
 
{
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
  • 首先判断传入的参数是否符合 Pair 的预期,从数据和版本号两个方面来判断,有一个不符合就打回;
  • 如果传入的参数与Pair中的一样,直接返回true,不用更新;
  • 使用casPair来比较交换当前的Pair与传入参数构成的Pair;
  • casPair又调用compareAndSwapObject来交互Pair属性。
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
    return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
}

所以简单来说,AtomicStampedReference是通过加版本号来解决CAS的ABA问题。至于怎么加版本号,因为compareAndSwapObject只能对比交互一个对象,所以只需要将数据和版本号打包到一个对象里就解决问题了。

同样Java中提供了AtomicMarkableReference,与 AtomicStampedReference 原理类似,只不过 AtomicMarkableReference 将版本号换成了一个 bool 值,只关心数据是否“被修改过”,而 AtomicStampedReference 可以关心数据被修改了多少次。


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2021/09/09  阅读:23  主题:姹紫

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