死磕 java并发包之AtomicStampedReference源码分析(ABA问题详解)

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问题

(1)什么是ABA?

(2)ABA的危害?

(3)ABA的解决方法?

(4)AtomicStampedReference是什么?

(5)AtomicStampedReference是怎么解决ABA的?

简介

AtomicStampedReference是java并发包下提供的一个原子类,它能解决其它原子类无法解决的ABA问题。

ABA

ABA问题发生在多线程环境中,当某线程连续读取同一块内存地址两次,两次得到的值一样,它简单地认为“此内存地址的值并没有被修改过”,然而,同时可能存在另一个线程在这两次读取之间把这个内存地址的值从A修改成了B又修改回了A,这时还简单地认为“没有修改过”显然是错误的。

比如,两个线程按下面的顺序执行:

(1)线程1读取内存位置X的值为A;

(2)线程1阻塞了;

(3)线程2读取内存位置X的值为A;

(4)线程2修改内存位置X的值为B;

(5)线程2修改又内存位置X的值为A;

(6)线程1恢复,继续执行,比较发现还是A把内存位置X的值设置为C;

ABA

可以看到,针对线程1来说,第一次的A和第二次的A实际上并不是同一个A。

ABA问题通常发生在无锁结构中,用代码来表示上面的过程大概就是这样:

public class ABATest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            System.out.println("thread 1 read value: " + value);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);

            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
                System.out.println("thread 1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                System.out.println("thread 1 update fail!");
            }
        }).start();

        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            System.out.println("thread 2 read value: " + value);
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
                System.out.println("thread 2 update from " + value + " to 2");

                // do sth

                value = atomicInteger.get();
                System.out.println("thread 2 read value: " + value);
                if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
                    System.out.println("thread 2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        }).start();
    }
}

打印结果为:

thread 1 read value: 1
thread 2 read value: 1
thread 2 update from 1 to 2
thread 2 read value: 2
thread 2 update from 2 to 1
thread 1 update from 1 to 3

ABA的危害

为了更好地理解ABA的危害,我们还是来看一个现实点的例子。

假设我们有一个无锁的栈结构,如下:

public class ABATest {

    static class Stack {
        // 将top放在原子类中
        private AtomicReference<Node> top = new AtomicReference<>();
        // 栈中节点信息
        static class Node {
            int value;
            Node next;

            public Node(int value) {
                this.value = value;
            }
        }
        // 出栈操作
        public Node pop() {
            for (;;) {
                // 获取栈顶节点
                Node t = top.get();
                if (t == null) {
                    return null;
                }
                // 栈顶下一个节点
                Node next = t.next;
                // CAS更新top指向其next节点
                if (top.compareAndSet(t, next)) {
                    // 把栈顶元素弹出,应该把next清空防止外面直接操作栈
                    t.next = null;
                    return t;
                }
            }
        }
        // 入栈操作
        public void push(Node node) {
            for (;;) {
                // 获取栈顶节点
                Node next = top.get();
                // 设置栈顶节点为新节点的next节点
                node.next = next;
                // CAS更新top指向新节点
                if (top.compareAndSet(next, node)) {
                    return;
                }
            }
        }
    }
}

咋一看,这段程序似乎没有什么问题,然而试想以下情形。

假如,我们初始化栈结构为 top->1->2->3,然后有两个线程分别做如下操作:

(1)线程1执行pop()出栈操作,但是执行到if (top.compareAndSet(t, next)) {这行之前暂停了,所以此时节点1并未出栈;

(2)线程2执行pop()出栈操作弹出节点1,此时栈变为 top->2->3;

(3)线程2执行pop()出栈操作弹出节点2,此时栈变为 top->3;

(4)线程2执行push()入栈操作添加节点1,此时栈变为 top->1->3;

(5)线程1恢复执行,比较节点1的引用并没有改变,执行CAS成功,此时栈变为 top->2;

What?点解变成 top->2 了?不是应该变成 top->3 吗?

那是因为线程1在第一步保存的next是节点2,所以它执行CAS成功后top节点就指向了节点2了。

测试代码如下:

private static void testStack() {
    // 初始化栈为 top->1->2->3
    Stack stack = new Stack();
    stack.push(new Stack.Node(3));
    stack.push(new Stack.Node(2));
    stack.push(new Stack.Node(1));

    new Thread(()->{
        // 线程1出栈一个元素
        stack.pop();
    }).start();

    new Thread(()->{
        // 线程2出栈两个元素
        Stack.Node A = stack.pop();
        Stack.Node B = stack.pop();
        // 线程2又把A入栈了
        stack.push(A);
    }).start();
}

public static void main(String[] args) {
    testStack();
}

在Stack的pop()方法的if (top.compareAndSet(t, next)) {处打个断点,线程1运行到这里时阻塞它的执行,让线程2执行完,再执行线程1这句,这句执行完可以看到栈的top对象中只有2这个节点了。

记得打断点的时候一定要打Thread断点,在IDEA中是右击选择Suspend为Thread。

通过这个例子,笔者认为你肯定很清楚ABA的危害了。

ABA的解决方法

ABA的危害我们清楚了,那么怎么解决ABA呢?

笔者总结了一下,大概有以下几种方式:

(1)版本号

比如,上面的栈结构增加一个版本号用于控制,每次CAS的同时检查版本号有没有变过。

还有一些数据结构喜欢使用高位存储一个邮戳来保证CAS的安全。

(2)不重复使用节点的引用

比如,上面的栈结构在线程2执行push()入栈操作的时候新建一个节点传入,而不是复用节点1的引用;

(3)直接操作元素而不是节点

比如,上面的栈结构push()方法不应该传入一个节点(Node),而是传入元素值(int的value)。

好了,扯了这么多,让我们来看看java中的AtomicStampedReference是怎么解决ABA的吧^^

源码分析

内部类

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

将元素值和版本号绑定在一起,存储在Pair的reference和stamp(邮票、戳的意思)中。

属性

private volatile Pair<V> pair;
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
private static final long pairOffset =
    objectFieldOffset(UNSAFE, "pair", AtomicStampedReference.class);

声明一个Pair类型的变量并使用Unsfae获取其偏移量,存储到pairOffset中。

构造方法

public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
    pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
}

构造方法需要传入初始值及初始版本号。

compareAndSet()方法

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    // 获取当前的(元素值,版本号)对
    Pair<V> current = pair;
    return
        // 引用没变
        expectedReference == current.reference &&
        // 版本号没变
        expectedStamp == current.stamp &&
        // 新引用等于旧引用
        ((newReference == current.reference &&
        // 新版本号等于旧版本号
          newStamp == current.stamp) ||
          // 构造新的Pair对象并CAS更新
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
    // 调用Unsafe的compareAndSwapObject()方法CAS更新pair的引用为新引用
    return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
}

(1)如果元素值和版本号都没有变化,并且和新的也相同,返回true;

(2)如果元素值和版本号都没有变化,并且和新的不完全相同,就构造一个新的Pair对象并执行CAS更新pair。

可以看到,java中的实现跟我们上面讲的ABA的解决方法是一致的。

首先,使用版本号控制;

其次,不重复使用节点(Pair)的引用,每次都新建一个新的Pair来作为CAS比较的对象,而不是复用旧的;

最后,外部传入元素值及版本号,而不是节点(Pair)的引用。

案例

让我们来使用AtomicStampedReference解决开篇那个AtomicInteger带来的ABA问题。

public class ABATest {

    public static void main(String[] args) {
        testStamp();
    }

    private static void testStamp() {
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            System.out.println("thread 1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);

            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3, stamp, stamp + 1)) {
                System.out.println("thread 1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                System.out.println("thread 1 update fail!");
            }
        }).start();

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            System.out.println("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2, stamp, stamp + 1)) {
                System.out.println("thread 2 update from " + value + " to 2");

                // do sth

                value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
                stamp = stampHolder[0];
                System.out.println("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1, stamp, stamp + 1)) {
                    System.out.println("thread 2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        }).start();
    }
}

运行结果为:

thread 1 read value: 1, stamp: 1
thread 2 read value: 1, stamp: 1
thread 2 update from 1 to 2
thread 2 read value: 2, stamp: 2
thread 2 update from 2 to 1
thread 1 update fail!

可以看到线程1最后更新1到3时失败了,因为这时版本号也变了,成功解决了ABA的问题。

总结

(1)在多线程环境下使用无锁结构要注意ABA问题;

(2)ABA的解决一般使用版本号来控制,并保证数据结构使用元素值来传递,且每次添加元素都新建节点承载元素值;

(3)AtomicStampedReference内部使用Pair来存储元素值及其版本号;

彩蛋

(1)java中还有哪些类可以解决ABA的问题?

AtomicMarkableReference,它不是维护一个版本号,而是维护一个boolean类型的标记,标记值有修改,了解一下。

(2)实际工作中遇到过ABA问题吗?

笔者还真遇到过,以前做棋牌游戏的时候,ABCD四个玩家,A玩家出了一张牌,然后他这个请求迟迟没到服务器,也就是超时了,服务器就帮他自动出了一张牌。

然后,转了一圈,又轮到A玩家出牌了,说巧不巧,正好这时之前那个请求到了服务器,服务器检测到现在正好是A出牌,而且请求的也是出牌,就把这张牌打出去了。

然后呢,A玩家的牌就不对了。

最后,我们是通过给每个请求增加一个序列号来处理的,检测到过期的序列号请求直接抛弃掉。

你有没有遇到过ABA问题呢?


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