2023.10.26 关于 CAS 和 ABA 问题

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2023.10.26 关于 CAS 和 ABA 问题

目录

CAS 操作

执行过程

 CAS 应用场景

实现原子类

实现自旋锁

ABA 问题 

CAS 操作

• 全称 Compare and swap ，译为 比较并交换

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执行过程

我们假设内存中的原始数据 V，旧的预期值 A，需要修改的新值 B

• 比较 A 与 V 是否相等
• 如果比较相等，将 B 写入 V
• 返回操作是否成功

• 此处如果 A 和 V 的值不同，则无事发

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伪代码

• 以下是变量自增的伪代码，其不能编译运行，仅表达了一个大概的逻辑思路，方便理解

class AtomicInteger {private int value;public int getAndIncrement() {
//      将内存中的 value 值读取到寄存器 A 中int oldValue = value;while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {oldValue = value;}return oldValue;}
}

• oldValue 可以理解为寄存器中的 A 的值
• 即先把 内存中的 value 读到寄存器 A 中
• oldValue+1 可以理解为另一个寄存器 B 的值
• 此处的 while 循环，是为保证仅当寄存器中 A 和 内存中 value 相等，才能进行 将寄存器 B 值写入内存 value 中
• 如果不同，则返回 false，然后重写读取内存中的 value 并放入寄存器 A 中，继续进入 while 循环
• 可能导致 寄存器 A 和 value 不相等的原因是：

• 在寄存器 A 读取完 value 后，线程发生了切换，另一线程，对内存 value 值进行了修改，再等到该线程回来时，进行 CAS 判定，此时的 value 和 A 便不相等

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注意：

• 上述 CAS 操作的执行过程，并非是通过一段代码实现的，而是通过 一条 CPU 指令 完成的
• 即 CAS 操作是 原子的
• 所以相较于加锁操作，CAS 操作在一定程度上也能够解决线程安全问题

 CAS 应用场景

实现原子类

• 以下是通过原子类来保证多线修改同一变量的安全性

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class ThreadDemo29 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//        这些都是原子类，就是基于 CAS 实现了 自增，自减操作
//        此时进行这类操作不需要加锁，也是线程安全的AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);//        使用原子类，来解决线程安全问题Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {
//                因为 java 不支持运算符重载，所以只能使用方法来表示自增自减count.getAndIncrement(); // count++// count.incrementAndGet(); // ++count//count.getAndDecrement(); // count--//count.decrementAndGet(); // --count}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {count.getAndIncrement();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("count 的值为:" + count.get());}
}

运行结果：

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实现自旋锁

自旋锁原理

• 当锁被其他线程拥有时，另外的线程不会挂起等待，而是会反复询问，看当前锁是否被释放，整个过程为纯用户态的轻量级锁

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伪代码

• 以下是实现自旋锁的伪代码，其不能编译运行，仅表达了一个大概的逻辑思路，方便理解

public class SpinLock {private Thread owner = null;//表示当前锁是谁的public void lock(){ while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}

图解理解：

• 监测当前的 owner 是否为 null，如果是 null，就进行交换，也就是把当前线程的引用赋值给 owner
• 如果赋值成功，此时循环结束，加锁完成
• 如果当前锁已经被其他线程占用，CAS 便会发现 this.owner 不为 null，CAS 便不会进行赋值，同时返回 false，循环继续执行，进行下次判定

ABA 问题 

• CAS 操作执行的核心为 检查比较 value 和 oldValue 的值是否相等
• 如果相等，就视为 value 中途未被其他线程修改，所以进行下一步交换操作是没问题的
• 但是 这里的相等也可能是 value 值先被修改，再被还原，从而导致 value 和 oldValue 值相等
• 所以 value 和 oldValue 的值相等，并不代表 value 值一定未被修改
• 所以 CAS 操作 存在 ABA 问题
• 即  value 值可能最先为 A ，后被其它线程修改为 B ，又被其他线程重新修改回 A，导致 CAS 操作误以为 value 值未被修改，从而进行其交换操作

注意：

• ABA 问题在大部分情况下，并不会对代码或逻辑造成太大影响
• 但是还是存在一些极端情况

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实例理解

解决方案

• 针对当前问题，我们可以加入一个版本号
• 即初始版本号为 1，每次进行修改时，其版本号均 +1
• 进行 CAS 时，不再以金额为判定基准，而是以版本号为基准
• 此时版本号要是没变，就一定未发生修改
• 因为版本号只能增加，不能减少