详解CAS及ABA问题

🌈🌈🌈今天给大家分享的是 CAS 问题。

清风的CSDN博客

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目录

一、什么是CAS?

1.1 CAS 伪代码 ?

1.2 CAS是怎么实现的?

二、CAS有哪些应用?

2.1 实现原子类

2.2 实现自旋锁?

三、CAS 的 ABA 问题

3.1 什么是ABA问题

3.2 ABA问题引来的BUG?

3.3 ABA问题的解决方案

一、什么是CAS?

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

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

1.1 CAS 伪代码 ?

下面写的代码不是原子的, 真实的 CAS 是一个原子的硬件指令完成的。这个伪代码只是辅助理解CAS 的工作流程。

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
 if (&address == expectedValue) {
 ? &address = swapValue;
 ? ? ? ?return true;
 ? }
 ? ?return false;
}

CAS 可以视为是一种乐观锁。(或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)

1.2 CAS是怎么实现的?

简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。?

二、CAS有哪些应用?

2.1 实现原子类

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
// 相当于 i++
atomicInteger.getAndIncrement();

class AtomicInteger {
 ? ?private int value;
 ? ?public int getAndIncrement() {
 ? ? ? ?int oldValue = value;
 ? ? ? ?while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
 ? ? ? ? ? ?oldValue = value;
 ? ? ? }
 ? ? ? ?return oldValue;
 ? }
}

③?线程2 再执行 CAS 操作, 第一次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进行赋值，因此需要进入循环，在循环里重新读取 value 的值赋给 oldValue

?④?线程2 接下来第二次执行 CAS, 此时 oldValue 和 value 相同, 于是直接执行赋值操作

?⑤?线程1 和 线程2 返回各自的 oldValue 的值即可。

通过形如上述代码就可以实现一个原子类， 不需要使用重量级锁 , 就可以高效的完成多线程的自增操作。

2.2 实现自旋锁?

public class SpinLock {
 ? ?private Thread owner = null;
 ? ?public void lock(){
 ? ? ? ?// 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有. 
 ? ? ? ?// 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待. 
 ? ? ? ?// 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程. 
 ? ? ? ?while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
 ? ? ? }
 ? }
 ? ?public void unlock (){
 ? ? ? ?this.owner = null;
 ? }
}

但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A。

线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改，?但是 num 的值已经被 t2 给改了，?只不过又改成 A 了，这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?

到这一步, t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A, 还是经历了一个变化过程：

这就好比, 我们买一个手机, 无法判定这个手机是刚出厂的新手机, 还是别人用旧了, 又翻新过的手机。

3.2 ABA问题引来的BUG?

假设滑稽老哥有 100 存款，?滑稽想从 ATM 取 50 块钱。取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -50 操作，我们期望一个线程执行 -50 成功, 另一个线程 -50 失败。

正常的过程

• 存款 100，线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50。
• 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50，线程2 阻塞等待中。
• 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 50, 和之前读到的 100 不相同, 执行失败。

异常的过程

• 存款 100. 线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50
• 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50，线程2 阻塞等待中
• 在线程2 执行之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账户余额变成 100?
• 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 再次执行扣款操作

?这个时候, 扣款操作被执行了两次!!! 都是 ABA 问题搞的鬼!!

3.3 ABA问题的解决方案

• CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号
• 真正修改的时候, 如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1。
• 如果当前版本号高于读到的版本号，就操作失败(认为数据已经被修改过了)。

这就好比, 判定这个手机是否是翻新机, 那么就需要收集每个手机的数据, 第一次挂在电商网站上的手机记为版本1, 以后每次这个手机出现在电商网站上, 就把版本号进行递增，这样如果买家不在意这是翻新机, 就买，如果买家在意, 就可以直接略过。

?对比理解上面的转账例子：

假设 滑稽老哥 有 100 存款，滑稽想从 ATM 取 50 块钱，取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -50 操作。我们期望一个线程执行 -50 成功, 另一个线程 -50 失败。

为了解决 ABA 问题, 给余额搭配一个版本号, 初始设为 1。

• 存款 100。?线程1 获取到 存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50; 线程2 获取到存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50。
• 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50, 版本号改为2，线程2 阻塞等待中。
• 在线程2 执行之前, 滑稽的朋友正好给滑稽转账 50, 账户余额变成 100, 版本号变成3。
• 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 但是当前版本号为 3, 之前读到的版本号为 1, 版本小于当前版本, 认为操作失败。

🌈🌈🌈好啦，今天的分享就到这里！

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