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Java中的CAS和ABA问题说明

1.CAS

1)CAS概念

CAS时Compare And Swap缩写,即比较与交换是用于实现多线程同步的原子指令,它将内存位置的内容与给定值相比较,相同则修改内存位置的值为新值,而整个操作是调用的UnSafe的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt或者compareAndSwapLong完成的,而这些方法都是native修饰的本地方法,是一种系统原语系统支持的操作。

2)CAS产生的影响(无锁执行)

CAS是一种无锁对象的原子操作,锁分为乐观锁和悲观锁,乐观派抱着几乎不会发生修改同一资源的状态,任意操作同意对象资源,如果遇到修改同一资源的情况,资源不会修改成功,能够保证资源的安全,而悲观派会认为同一资源被错误修改后会造成不可挽回的局面,故自能有一个线程修改资源,这样总会对系统性能产生一定的影响,拖慢自行速度,CAS即无锁执行者,被CAS修饰过的资源可以同时被多个线程修改依然能保证系统安全,无锁不需要等待提高系统性能,jdk提供的CAS原理实现的并发类Automic系列运用及其原理介绍。

3)Automic并发类CAS原理代码分析

首先介绍java的指针操作类UnSafe,Unsafe类是在sun.misc包下,不属于Java标准。但是很多Java的基础类库,包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的,因为UnSafe使Java像C语言一样使其拥有操作内存指针的能力,因为操作内存指针容易出错,故起名UnSafe不安全的类,因此Java官方并不建议使用的,但CAS原理就是UnSafe类中的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong方法实现的,该方法需传入四个参数:第一个参数代表给定的对象,第二个参数代表给定对象再内存中的偏移量,第三个参数标识对象的期望值,第四个参数标识要修改的值,并发保重的Automic系列的原子操作类都是使用UnSafe类实现的。

UnSafe源码如下:

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/**

* 第一个参数var1代表给定对象,第二个参数var2代表var1对象在内存中的偏移量,第三个参数var3为期望修改* 的对象旧值,第四个参数var4代表要修改的值或着说是修改后的值。

**/

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);

举例AtomicInteger源码实现原理:

AutomicInteger中的getAndSet实现原理解析:

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    /**

    * 调用的UnSafe的getAndSetInt方法,给定值和偏移量和修改的值,

    * 获取修改的值var5作为compareAndSwapInt的第三个参数用来和var1比较相同则执行更新操作

    * while循环知道操作成功。

    *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {

    *   int var5;

    *   do {

    *       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);

    *   } while(!this测试数据pareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

    *

    *    return var5;

    *}

    **/

    public final int getAndSet( int newValue) {

        return unsafe.getAndSetInt( this , valueOffset, newValue);

    }

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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;

 

     // 获取UnSafe对象实例

     private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

     //对象在内存中的偏移量

     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); }

     }

    

     //对象属性值

     private volatile int value;

 

     public AtomicInteger( int initialValue) {

         value = initialValue;

     }

 

     public AtomicInteger() {

     }

 

     /**

     * 调用的UnSafe的getAndSetInt方法,给定值和偏移量和修改的值,

     * 获取修改的值var5作为compareAndSwapInt的第三个参数用来和var1比较相同则执行更新操作

     * while循环知道操作成功。

     *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {

     *   int var5;

     *   do {

     *       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);

     *   } while(!this测试数据pareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

     *

     *    return var5;

     *}

     **/

     public final int getAndSet( int newValue) {

         return unsafe.getAndSetInt( this , valueOffset, newValue);

     }

 

     //调用UnSafe的compareAndSwapInt方法保证CAS

     public final boolean compareAndSet( int expect, int update) {

         return unsafe测试数据pareAndSwapInt( this , valueOffset, expect, update);

     }

 

     //调用UnSafe的compareAndSwapInt方法保证CAS

     public final boolean weakCompareAndSet( int expect, int update) {

         return unsafe测试数据pareAndSwapInt( this , valueOffset, expect, update);

     }

 

     //调用UnSafe的getAndAddInt再调用UnSafe的getAndSetInt方法保证CAS

     public final int getAndIncrement() {

         return unsafe.getAndAddInt( this , valueOffset, 1 );

     }

 

    

     public final int getAndDecrement() {

         return unsafe.getAndAddInt( this , valueOffset, - 1 );

     }

     .........

}

4)CAS导致的ABA问题

操作对象,获取对象后,执行CAS操作前,被其他线程修改后,且又修改为原来的对象值,导致CAS忽略其他线程的修改,成功执行CAS对象修改,这种情况就叫做ABA问题。

下图所示:

解决办法:

AtomicStampedReference类提供了解决办法,在对象之中又添加了stamp时间戳属性避免其他线程修改了多次并变回修改前的value值,但对比stamp不同便可知道对象是被修改过的,只有提供属性值和stamp时间戳相等才能成功执行CAS修改操作,里面包裹了一个键值对对象AtomicStampedReference.Pair<V> pair类型,pair中值为属性值,value为stamp时间戳,在执行CAS操作时需要提供原值的value和时间戳都相等的情况才能成功执行CAS操作。

AtomicMarkableReference类提供了解决办法,在对象之中又添加了stamp时间戳属性避免其他线程修改了多次并变回修改前的value值,但对比stamp不同便可知道对象是被修改过的,只有提供属性值和boolean类型的mark标记相等才能成功执行CAS修改操作,里面包裹了一个键值对对象AtomicMarkableReference.Pair<V> pair类型,pair中值为属性值,value为mark是否被修改的标记,在执行CAS操作时需要提供原值的value和mark标记都相等的情况才能成功执行CAS操作。

本文只介绍AtomicStampedReference类的源码分析,AtomicMarkableReference类同AtomicStampedReference类原理一样,

源码如下:

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package java.util.concurrent.atomic;

public class AtomicStampedReference<V> {

    /**

     * 对象值时一个AtomicStampedReference内置对象Pair,包裹了reference和stamp两个属性

     */

     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;

 

     /**

      * 初始化对象并初始化pair

      */

     public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {

         pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);

     }

    

     /**

      * 比较当前对象属性值和输入原始值为真,在比较当前对象的时间stamp与期望的stamp进行比较

      * 如果也想等,就更新值和stamp

      * @param expectedReference 原始值

      * @param newReference 新值

      * @param expectedStamp 期望时间

      * @param newStamp 新时间

      * @return {@code true} if successful

      */

     public boolean compareAndSet(V   expectedReference,

                                  V   newReference,

                                  int expectedStamp,

                                  int newStamp) {

         Pair<V> current = pair;  //赋值当前对象

         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测试数据pareAndSwapObject( 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;

         }

     }

}

以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持。

原文链接:https://blog.csdn.net/lishentao_1122/article/details/88853915

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