Java中的CAS和ABA問題說明

更新時間：2022年05月07日 10:06:28 作者：lishentao_1122

這篇文章主要介紹了Java中的CAS和ABA問題說明，具有很好的參考價值，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.CAS

1）CAS概念

CAS時Compare And Swap縮寫，即比較與交換是用于實現多線程同步的原子指令，它將內存位置的內容與給定值相比較，相同則修改內存位置的值為新值，而整個操作是調用的UnSafe的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt或者compareAndSwapLong完成的，而這些方法都是native修飾的本地方法，是一種系統(tǒng)原語系統(tǒng)支持的操作。

2）CAS產生的影響（無鎖執(zhí)行）

CAS是一種無鎖對象的原子操作，鎖分為樂觀鎖和悲觀鎖，樂觀派抱著幾乎不會發(fā)生修改同一資源的狀態(tài)，任意操作同意對象資源，如果遇到修改同一資源的情況，資源不會修改成功，能夠保證資源的安全，而悲觀派會認為同一資源被錯誤修改后會造成不可挽回的局面，故自能有一個線程修改資源，這樣總會對系統(tǒng)性能產生一定的影響，拖慢自行速度，CAS即無鎖執(zhí)行者，被CAS修飾過的資源可以同時被多個線程修改依然能保證系統(tǒng)安全，無鎖不需要等待提高系統(tǒng)性能，jdk提供的CAS原理實現的并發(fā)類Automic系列運用及其原理介紹。

3）Automic并發(fā)類CAS原理代碼分析

首先介紹java的指針操作類UnSafe，Unsafe類是在sun.misc包下，不屬于Java標準。但是很多Java的基礎類庫，包括一些被廣泛使用的高性能開發(fā)庫都是基于Unsafe類開發(fā)的，因為UnSafe使Java像C語言一樣使其擁有操作內存指針的能力，因為操作內存指針容易出錯，故起名UnSafe不安全的類，因此Java官方并不建議使用的，但CAS原理就是UnSafe類中的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong方法實現的，該方法需傳入四個參數：第一個參數代表給定的對象，第二個參數代表給定對象再內存中的偏移量，第三個參數標識對象的期望值，第四個參數標識要修改的值，并發(fā)保重的Automic系列的原子操作類都是使用UnSafe類實現的。

UnSafe源碼如下：

/**
* 第一個參數var1代表給定對象，第二個參數var2代表var1對象在內存中的偏移量，第三個參數var3為期望修改* 的對象舊值，第四個參數var4代表要修改的值或著說是修改后的值。
**/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var3, Object var4);
? ? public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
? ? public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

舉例AtomicInteger源碼實現原理：

AutomicInteger中的getAndSet實現原理解析：

? ? /**
? ? * 調用的UnSafe的getAndSetInt方法，給定值和偏移量和修改的值，
? ? * 獲取修改的值var5作為compareAndSwapInt的第三個參數用來和var1比較相同則執(zhí)行更新操作
? ? * while循環(huán)知道操作成功。
? ? *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
? ? * ? int var5;
? ? * ? do {
? ? * ? ? ? var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
? ? * ? } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));
? ? *
? ? * ? ?return var5;
? ? *}
? ? **/
? ? public final int getAndSet(int newValue) {
? ? ? ? return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
? ? }

package java.util.concurrent.atomic;
import java.util.function.IntUnaryOperator;
import java.util.function.IntBinaryOperator;
import sun.misc.Unsafe;
 
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
 
    // 獲取UnSafe對象實例
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    //對象在內存中的偏移量
    private static final long valueOffset;
    
    //初始化valueOffset
    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    
    //對象屬性值
    private volatile int value;
 
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
 
    public AtomicInteger() {
    }
 
    /**
    * 調用的UnSafe的getAndSetInt方法，給定值和偏移量和修改的值，
    * 獲取修改的值var5作為compareAndSwapInt的第三個參數用來和var1比較相同則執(zhí)行更新操作
    * while循環(huán)知道操作成功。
    *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
    *   int var5;
    *   do {
    *       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    *   } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));
    *
    *    return var5;
    *}
    **/
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }
 
    //調用UnSafe的compareAndSwapInt方法保證CAS
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
 
    //調用UnSafe的compareAndSwapInt方法保證CAS
    public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
 
    //調用UnSafe的getAndAddInt再調用UnSafe的getAndSetInt方法保證CAS
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
 
    
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }
    .........
}

4）CAS導致的ABA問題

操作對象，獲取對象后，執(zhí)行CAS操作前，被其他線程修改后，且又修改為原來的對象值，導致CAS忽略其他線程的修改，成功執(zhí)行CAS對象修改，這種情況就叫做ABA問題。

下圖所示：

解決辦法：

AtomicStampedReference類提供了解決辦法，在對象之中又添加了stamp時間戳屬性避免其他線程修改了多次并變回修改前的value值，但對比stamp不同便可知道對象是被修改過的，只有提供屬性值和stamp時間戳相等才能成功執(zhí)行CAS修改操作，里面包裹了一個鍵值對對象AtomicStampedReference.Pair<V> pair類型，pair中值為屬性值，value為stamp時間戳，在執(zhí)行CAS操作時需要提供原值的value和時間戳都相等的情況才能成功執(zhí)行CAS操作。

AtomicMarkableReference類提供了解決辦法，在對象之中又添加了stamp時間戳屬性避免其他線程修改了多次并變回修改前的value值，但對比stamp不同便可知道對象是被修改過的，只有提供屬性值和boolean類型的mark標記相等才能成功執(zhí)行CAS修改操作，里面包裹了一個鍵值對對象AtomicMarkableReference.Pair<V> pair類型，pair中值為屬性值，value為mark是否被修改的標記，在執(zhí)行CAS操作時需要提供原值的value和mark標記都相等的情況才能成功執(zhí)行CAS操作。

本文只介紹AtomicStampedReference類的源碼分析，AtomicMarkableReference類同AtomicStampedReference類原理一樣，

源碼如下：

package java.util.concurrent.atomic;
public class AtomicStampedReference<V> {
   /**
    * 對象值時一個AtomicStampedReference內置對象Pair，包裹了reference和stamp兩個屬性
    */
    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);
        }
    }
 
    private volatile Pair<V> pair;
 
    /**
     * 初始化對象并初始化pair 
     */
    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }
    
    /**
     * 比較當前對象屬性值和輸入原始值為真，在比較當前對象的時間stamp與期望的stamp進行比較
     * 如果也想等，就更新值和stamp
     * @param expectedReference 原始值
     * @param newReference 新值
     * @param expectedStamp 期望時間
     * @param newStamp 新時間
     * @return {@code true} if successful
     */
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;  //賦值當前對象
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }
 
    
    // Unsafe mechanics
 
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long pairOffset =
        objectFieldOffset(UNSAFE, "pair", AtomicStampedReference.class);
 
    private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }
 
    static long objectFieldOffset(sun.misc.Unsafe UNSAFE,
                                  String field, Class<?> klazz) {
        try {
            return UNSAFE.objectFieldOffset(klazz.getDeclaredField(field));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            // Convert Exception to corresponding Error
            NoSuchFieldError error = new NoSuchFieldError(field);
            error.initCause(e);
            throw error;
        }
    }
}

以上為個人經驗，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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