CAS中的ABA问题

补档CAS中的ABA问题。

要特别注意,常见的ABA问题有两种,要求能分别举例解释。

CAS的使用可参考:

1 定义

1.1 基本的ABA问题

在CAS算法中,需要取出内存中某时刻的数据(由用户完成),在下一时刻比较并替换(由CPU完成,该操作是原子的)。这个时间差中,会导致数据的变化。

假设如下事件序列:

  1. 线程 1 从内存位置V中取出A。
  2. 线程 2 从位置V中取出A。
  3. 线程 2 进行了一些操作,将B写入位置V。
  4. 线程 2 将A再次写入位置V。
  5. 线程 1 进行CAS操作,发现位置V中仍然是A,操作成功。

尽管线程 1 的CAS操作成功,但不代表这个过程没有问题——对于线程 1 ,线程 2 的修改已经丢失

1.2 与内存模型相关的ABA问题

在没有垃圾回收机制的内存模型中(如C++),程序员可随意释放内存。

假设如下事件序列:

  1. 线程 1 从内存位置V中取出A,A指向内存位置W。
  2. 线程 2 从位置V中取出A。
  3. 线程 2 进行了一些操作,释放了A指向的内存。
  4. 线程 2 重新申请内存,并恰好申请了内存位置W,将位置W存入C的内容。
  5. 线程 2 将内存位置W写入位置V。
  6. 线程 1 进行CAS操作,发现位置V中仍然是A指向的即内存位置W,操作成功

这里比问题 1.1 的后果更严重,实际内容已经被修改了,但线程 1 无法感知到线程 2 的修改

更甚,如果线程 2 只释放了A指向的内存,而线程 1 在 CAS之前还要访问A中的内容,那么线程 1 将访问到一个野指针

2 举例

2.1 基本的ABA问题举例

如果位置V存储的是链表的头结点,那么发生ABA问题的链表中,原头结点是node1,线程 2 操作头结点变化了两次,很可能是先修改头结点为node2,再将node1(在C++中,也可是重新分配的节点node3,但恰好其指针等于已经释放掉的node1)插入表头成为新的头结点。

对于线程 1 ,头结点仍旧为 node1(或者说头结点的值,因为在C++中,虽然地址相同,但其内容可能变为了node3),CAS操作成功,但头结点之后的子链表的状态已不可预知。

脑补示意图。。

2.2 与内存模型相关的ABA问题举例

问题定义已阐述清楚。

3 解决

Java的垃圾回收机制已经帮我们解决了问题 1.2;至于问题 1.1,加入版本号即可解决。

3.1 AtomicStampedReference

除了对象值,AtomicStampedReference内部还维护了一个“状态戳”。状态戳可类比为时间戳,是一个整数值,每一次修改对象值的同时,也要修改状态戳,从而区分相同对象值的不同状态。当AtomicStampedReference设置对象值时,对象值以及状态戳都必须满足期望值,写入才会成功。

AtomicStampedReference的几个API在AtomicReference的基础上新增了有关时间戳的信息:

//比较设置 参数依次为:期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, 
    int expectedStamp, int newStamp)
//获得当前对象引用
public V getReference()
//获得当前时间戳
public int getStamp()
//设置当前对象引用和时间戳
public void set(V newReference, int newStamp)

3.2 AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference功能相似,但AtomicMarkableReference描述更加简单的是与否的关系。它的定义就是将状态戳简化为true|false。如下:

public final static AtomicMarkableReference<String> ATOMIC_MARKABLE_REFERENCE 
    = new AtomicMarkableReference<>("abc" , false); 

操作时:

ATOMIC_MARKABLE_REFERENCE.compareAndSet("abc", "abc2", false, true);

本文链接:CAS中的ABA问题
作者:猴子007
出处:https://monkeysayhi.github.io
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