Java并发中的ABA问题学习与解决方案

2024-04-02 19:04:59 513人浏览独家记忆

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摘要

目录1.简介2.Compare and swap3. ABA问题3.1 ABA问题的实际场景：账户余额修改3.2 账户余额修改时产生的问题4.银行取款问题代码演示5.值类型与引用类型

1.简介

我们将了解在并发编程中的ABA问题。同时学习引起该问题的根因及问题解决办法。

2.Compare and swap

为了理解根本原因，首先回顾一下Compare and swap的概念。Compare and Swap (CAS)在无锁算法中是一种常见的技术。能够保证并发修改共享数据时，一个线程将共享内存修改后，另一线程尝试对共享内存的修改会失败。

我们每次更新时，通过两种信息来实现：要更新的值及原始值。首先Compare and swap 会比较原始值和当前获取到的值。如果相等，那么将值更新为要设置的值。

3. ABA问题

当执行campare and swap会出现失败的情况。例如，一个线程先读取共享内存数据值A，随后因某种原因，线程暂时挂起，同时另一个线程临时将共享内存数据值先改为B，随后又改回为A。随后挂起线程恢复，并通过CAS比较，最终比较结果将会无变化。这样会通过检查，这就是ABA问题。在CAS比较前会读取原始数据，随后进行原子CAS操作。这个间隙之间由于并发操作，最终可能会带来问题。

3.1 ABA问题的实际场景：账户余额修改

为了通过实例演示ABA问题。我们创建一个银行账户类，该类维护一个整型变量记录账户余额。该类有两个函数：一个用于存钱，一个用于取钱。这些操作使用CAS来修改账户余额。

3.2 账户余额修改时产生的问题

我们来考虑两个线程操作同一个账户时的场景。当线程1取钱时，先读取余额，随后通过CAS操作进行比较。然后，可能由于某些原因，线程1可能发生阻塞。与此同时，线程2同样通过CAS机制，在线程1挂起时，在同一个账户上执行两个操作。首先，改变原始值，这个值已经被线程1在刚才读取。随后线程2又将这个值改为原始值。

一旦线程1恢复后，在线程1看来，没有发生任何变化。cas将会执行成功。

在这里插入图片描述

4.银行取款问题代码演示

创建一个Account类，balance记录账户余额。transactionCount记录成功执行的事务数。currentThreadCASFailureCount来记录CAS操作失败的次数。

接着我们实现一个存款的方法deposit，与取款方法withdraw。为了演示ABA问题，同时实现一个maybeWait方法进行延迟等待。

最终的代码如下：

    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;
        }
    }

接着我们对上述代码进行测试。通过maybeWait方法，模拟出现ABA问题。

    @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.值类型与引用类型的场景

上面的例子中使用了getBalance()方法获取了一个值类型数据。由于使用的是值类型，虽然出现ABA问题，但未对结果造成影响。如果我们操作的是引用类型，那么最终会保存不同的引用对象，会带来意外的结果。

对于引用类型，下面以链栈为例说明。

线程A希望将A结点出栈，此时读取栈顶元素A，准备执行CAS操作，此时由于某种原因阻塞。
线程B开始执行，执行出栈A、B。随后将D、C、A结点压入栈中。
线程A恢复执行。接着执行CAS，比较发现栈顶结点A没有被修改。随后将栈顶结点改为B。由于B线程在第二步时，已经将B结点移除，A线程修改后发生错误。栈的结构发生破坏。

在这里插入图片描述

接着我们通过下面的代码进行演示：

    static class Stack {
        private AtomicReference<node> top = new AtomicReference<>();
        static class Node {
            String value;
            Node next;
            public Node (String value) {
                this.value = value;
            }
        }
        //出栈
        public Node pop(int time) {
            Node newTop;
            Node oldTop;
            do {
                oldTop = top.get();
                if (oldTop == null) {
                    return null;
                }
                newTop = oldTop.next;
                try {
                    //休眠一段时间，模拟ABA问题
                    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");
        // 初始化栈结构
        stack.push(b);
        stack.push(a);
        // ABA 测试
        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. 解决方法

hazard pointer：首先出现问题是因为，多个线程操作共享数据，并未感知到别的线程正在对共享数据进行操作。通过hazard pointer介绍[1]，其基本思想就是每个线程维护一个操作列表，在操作一个结点时将其记录。如果一个线程要做结点变更，先搜索线程操作列表，看是否有其它线程操作。如果有则此次操作执行失败。
不变性：从上述栈的例子中可以看到，在对结点A进行比较时，由于A依然是多个线程共享并复用，因此CAS会成功。如果每次操作时，新创建对象而不是复用。这样CAS就会正常提示失败。但这样可能会创建大量对象。