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Java并發(fā)中的ABA問題學(xué)習(xí)與解決方案

 更新時(shí)間:2022年05月06日 09:32:31   作者:FserSuN  
這篇文章主要介紹了Java并發(fā)中的ABA問題學(xué)習(xí)與解決方案,具有很好的參考價(jià)值,希望對大家有所幫助。如有錯誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教

1.簡介

我們將了解在并發(fā)編程中的ABA問題。同時(shí)學(xué)習(xí)引起該問題的根因及問題解決辦法。

2.Compare and swap

為了理解根本原因,首先回顧一下Compare and swap的概念。Compare and Swap (CAS)在無鎖算法中是一種常見的技術(shù)。能夠保證并發(fā)修改共享數(shù)據(jù)時(shí),一個(gè)線程將共享內(nèi)存修改后,另一線程嘗試對共享內(nèi)存的修改會失敗。

我們每次更新時(shí),通過兩種信息來實(shí)現(xiàn):要更新的值及原始值。首先Compare and swap 會比較原始值和當(dāng)前獲取到的值。如果相等,那么將值更新為要設(shè)置的值。

3. ABA問題

當(dāng)執(zhí)行campare and swap會出現(xiàn)失敗的情況。例如,一個(gè)線程先讀取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)值A(chǔ),隨后因某種原因,線程暫時(shí)掛起,同時(shí)另一個(gè)線程臨時(shí)將共享內(nèi)存數(shù)據(jù)值先改為B,隨后又改回為A。隨后掛起線程恢復(fù),并通過CAS比較,最終比較結(jié)果將會無變化。這樣會通過檢查,這就是ABA問題。 在CAS比較前會讀取原始數(shù)據(jù),隨后進(jìn)行原子CAS操作。這個(gè)間隙之間由于并發(fā)操作,最終可能會帶來問題。

3.1 ABA問題的實(shí)際場景:賬戶余額修改

為了通過實(shí)例演示ABA問題。我們創(chuàng)建一個(gè)銀行賬戶類,該類維護(hù)一個(gè)整型變量記錄賬戶余額。該類有兩個(gè)函數(shù):一個(gè)用于存錢,一個(gè)用于取錢。這些操作使用CAS來修改賬戶余額。

3.2 賬戶余額修改時(shí)產(chǎn)生的問題

我們來考慮兩個(gè)線程操作同一個(gè)賬戶時(shí)的場景。當(dāng)線程1取錢時(shí),先讀取余額,隨后通過CAS操作進(jìn)行比較。然后,可能由于某些原因,線程1可能發(fā)生阻塞。與此同時(shí),線程2同樣通過CAS機(jī)制,在線程1掛起時(shí),在同一個(gè)賬戶上執(zhí)行兩個(gè)操作。首先,改變原始值,這個(gè)值已經(jīng)被線程1在剛才讀取。隨后線程2又將這個(gè)值改為原始值。

一旦線程1恢復(fù)后,在線程1看來,沒有發(fā)生任何變化。cas將會執(zhí)行成功。

在這里插入圖片描述

4.銀行取款問題代碼演示

創(chuàng)建一個(gè)Account類,balance記錄賬戶余額。transactionCount記錄成功執(zhí)行的事務(wù)數(shù)。currentThreadCASFailureCount來記錄CAS操作失敗的次數(shù)。

接著我們實(shí)現(xiàn)一個(gè)存款的方法deposit,與取款方法withdraw。為了演示ABA問題,同時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)maybeWait方法進(jìn)行延遲等待。

最終的代碼如下:

    public class Account {
        private AtomicInteger balance;
        private AtomicInteger transactionCount;
        private ThreadLocal<Integer> currentThreadCASFailureCount;
        public Account() {
            this.balance = new AtomicInteger(0);
            this.transactionCount = new AtomicInteger(0);
            this.currentThreadCASFailureCount = new ThreadLocal<>();
            this.currentThreadCASFailureCount.set(0);
        }
        public int getBalance() {
            return balance.get();
        }
        public int getTransactionCount() {
            return transactionCount.get();
        }
        public int getCurrentThreadCASFailureCount() {
            return Optional.ofNullable(currentThreadCASFailureCount.get()).orElse(0);
        }
        public boolean withdraw(int amount) {
            int current = getBalance();
            maybeWait();
            boolean result = balance.compareAndSet(current, current - amount);
            if (result) {
                transactionCount.incrementAndGet();
            } else {
                int currentCASFailureCount = currentThreadCASFailureCount.get();
                currentThreadCASFailureCount.set(currentCASFailureCount + 1);
            }
            return result;
        }
        private void maybeWait() {
            if ("thread1".equals(Thread.currentThread().getName())) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        }
        public boolean deposit(int amount) {
            int current = balance.get();
            boolean result = balance.compareAndSet(current, current + amount);
            if (result) {
                transactionCount.incrementAndGet();
            } else {
                int currentCASFailureCount = currentThreadCASFailureCount.get();
                currentThreadCASFailureCount.set(currentCASFailureCount + 1);
            }
            return result;
        }
    }

接著我們對上述代碼進(jìn)行測試。通過maybeWait方法,模擬出現(xiàn)ABA問題。

    @Test
    public void abaProblemTest() throws InterruptedException {
        final int defaultBalance = 50;
        final int amountToWithdrawByThread1 = 20;
        final int amountToWithdrawByThread2 = 10;
        final int amountToDepositByThread2 = 10;
        Assert.assertEquals(0, account.getTransactionCount());
        Assert.assertEquals(0, account.getCurrentThreadCASFailureCount());
        account.deposit(defaultBalance);
        Assert.assertEquals(1, account.getTransactionCount());
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            // this will take longer due to the name of the thread
            Assert.assertTrue(account.withdraw(amountToWithdrawByThread1));
            // thread 1 fails to capture ABA problem
            Assert.assertNotEquals(1, account.getCurrentThreadCASFailureCount());
        }, "thread1");
        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            Assert.assertTrue(account.deposit(amountToDepositByThread2));
            Assert.assertEquals(defaultBalance + amountToDepositByThread2, account.getBalance());
            // this will be fast due to the name of the thread
            Assert.assertTrue(account.withdraw(amountToWithdrawByThread2));
            // thread 1 didn't finish yet, so the original value will be in place for it
            Assert.assertEquals(defaultBalance, account.getBalance());
            Assert.assertEquals(0, account.getCurrentThreadCASFailureCount());
        }, "thread2");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        // compareAndSet operation succeeds for thread 1
        Assert.assertEquals(defaultBalance - amountToWithdrawByThread1, account.getBalance());
        //but there are other transactions
        Assert.assertNotEquals(2, account.getTransactionCount());
        // thread 2 did two modifications as well
        Assert.assertEquals(4, account.getTransactionCount());
    }

5.值類型與引用類型的場景

上面的例子中使用了getBalance()方法獲取了一個(gè)值類型數(shù)據(jù)。由于使用的是值類型,雖然出現(xiàn)ABA問題,但未對結(jié)果造成影響。如果我們操作的是引用類型,那么最終會保存不同的引用對象,會帶來意外的結(jié)果。

對于引用類型,下面以鏈棧為例說明。

  • 線程A希望將A結(jié)點(diǎn)出棧,此時(shí)讀取棧頂元素A,準(zhǔn)備執(zhí)行CAS操作,此時(shí)由于某種原因阻塞。
  • 線程B開始執(zhí)行,執(zhí)行出棧A、B。隨后將D、C、A結(jié)點(diǎn)壓入棧中。
  • 線程A恢復(fù)執(zhí)行。接著執(zhí)行CAS,比較發(fā)現(xiàn)棧頂結(jié)點(diǎn)A沒有被修改。隨后將棧頂結(jié)點(diǎn)改為B。由于B線程在第二步時(shí),已經(jīng)將B結(jié)點(diǎn)移除,A線程修改后發(fā)生錯誤。棧的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

在這里插入圖片描述

接著我們通過下面的代碼進(jìn)行演示:

    static class Stack {
        private AtomicReference<Node> top = new AtomicReference<>();
        static class Node {
            String value;
            Node next;
            public Node (String value) {
                this.value = value;
            }
        }
        //出棧
        public Node pop(int time) {
            Node newTop;
            Node oldTop;
            do {
                oldTop = top.get();
                if (oldTop == null) {
                    return null;
                }
                newTop = oldTop.next;
                try {
                    //休眠一段時(shí)間,模擬ABA問題
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(time);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            } while (!top.compareAndSet(oldTop, newTop));
            return oldTop;
        }
        public void push (Node node) {
            Node oldTop;
            do {
                oldTop = top.get();
                node.next = oldTop;
            } while (!top.compareAndSet(oldTop, node));
        }
        public AtomicReference<Node> getTop() {
            return top;
        }
    }
    @Test
    public void testStack() throws Exception{
        Stack stack = new Stack();
        Stack.Node a = new Stack.Node("A");
        Stack.Node b = new Stack.Node("B");
        // 初始化棧結(jié)構(gòu)
        stack.push(b);
        stack.push(a);
        // ABA 測試
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            stack.pop(2);
        });
        
        Stack.Node c = new Stack.Node("C");
        Stack.Node d = new Stack.Node("D");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            stack.pop(0);
            stack.pop(0);
            stack.push(d);
            stack.push(c);
            stack.push(a);
        });
        //
        t1.start();
        t2.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        Stack.Node top = stack.getTop().get();
        do {
            System.out.println(top.value);
            top = top.next;
        } while (top != null);
    }

6. 解決方法

  • hazard pointer:首先出現(xiàn)問題是因?yàn)?,多個(gè)線程操作共享數(shù)據(jù),并未感知到別的線程正在對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。通過hazard pointer介紹[1],其基本思想就是每個(gè)線程維護(hù)一個(gè)操作列表,在操作一個(gè)結(jié)點(diǎn)時(shí)將其記錄。如果一個(gè)線程要做結(jié)點(diǎn)變更,先搜索線程操作列表,看是否有其它線程操作。如果有則此次操作執(zhí)行失敗。
  • 不變性:從上述棧的例子中可以看到,在對結(jié)點(diǎn)A進(jìn)行比較時(shí),由于A依然是多個(gè)線程共享并復(fù)用,因此CAS會成功。如果每次操作時(shí),新創(chuàng)建對象而不是復(fù)用。這樣CAS就會正常提示失敗。但這樣可能會創(chuàng)建大量對象。

7. Java中的解決方法

Java中提供了兩個(gè)類來解決這個(gè)問題。

  • AtomicStampedReference
  • AtomicMarkableReference

在原有類的基礎(chǔ)上,除了比較與修改期待的值外,增加了一個(gè)時(shí)間戳。對時(shí)間戳也進(jìn)行CAS操作。這也稱為雙重CAS。從上例中看到。每次修改一個(gè)結(jié)點(diǎn),其時(shí)間戳都發(fā)生變化。這樣即使共享一個(gè)復(fù)用結(jié)點(diǎn),最終CAS也能返回正常的結(jié)果。

8. 總結(jié)

本文介紹了CAS產(chǎn)生ABA問題的背景,通用解決辦法及Java中的解決辦法。對于值類型有時(shí)發(fā)生ABA問題可能并不會造成問題。但對于引用類型,就可能造成歧義,同時(shí)破壞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過鏈棧的演示,我們可以有所了解ABA產(chǎn)生的問題。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn),希望能給大家一個(gè)參考,也希望大家多多支持腳本之家。

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