Java并发：使用AtomicMarkableReference解决CAS的ABA问题与标记状态
大家好，今天我们来深入探讨Java并发编程中一个常见且棘手的问题：CAS的ABA问题，以及如何使用AtomicMarkableReference来有效地解决它并标记状态。
1. CAS操作及其局限性
在并发编程中，我们经常使用Compare-and-Swap (CAS) 操作来实现无锁算法。CAS操作包含三个操作数：
- 内存地址（V）： 需要进行更新的变量的内存地址。
- 旧的预期值（A）： 希望V的当前值与这个值相等。
- 新的值（B）： 如果V的值与A相等，那么将V的值更新为B。
CAS操作是原子性的，这意味着它要么完全成功，要么完全失败。如果V的值在CAS操作执行期间被其他线程修改，那么CAS操作会失败，并返回false。通常，我们会使用一个循环来重试CAS操作，直到成功为止。
public class CasExample {
private volatile int value;
public boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
// 模拟CAS操作
if (value == expectedValue) {
value = newValue;
return true;
}
return false;
}
public int getValue() {
return value;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CasExample casExample = new CasExample();
casExample.value = 10;
Thread thread1 = new Thread(() -> {
int expectedValue = casExample.getValue();
boolean success = casExample.compareAndSet(expectedValue, 20);
System.out.println("Thread 1 CAS success: " + success);
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
casExample.value = 15;
casExample.value = 10; // 将value改回原始值
});
thread1.start();
Thread.sleep(10); // 确保thread2在thread1之前执行修改
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("Final value: " + casExample.getValue());
}
}然而，CAS操作存在一个著名的缺陷，即ABA问题。
2. ABA问题：一种难以察觉的并发陷阱
ABA问题指的是，一个变量的值最初是A，然后被修改为B，最后又被修改回A。在CAS操作看来，这个变量的值并没有发生变化，因此CAS操作会成功。但是，实际上，这个变量已经经历了状态的变化，可能会导致一些意想不到的错误。
举个例子，假设有一个线程尝试将链表中的一个节点从A更新为C。在这个过程中，另一个线程将A节点移除，然后又添加了一个新的A节点。当第一个线程执行CAS操作时，它会发现A节点的值仍然是A，因此CAS操作会成功。但是，实际上，这个A节点已经不是原来的A节点了，第一个线程的操作可能会导致链表结构损坏。
为了更清晰地理解ABA问题，我们来看一个简单的例子。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AbaExample {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
int originalValue = atomicInteger.get();
System.out.println("Thread 1: Original value = " + originalValue);
try {
Thread.sleep(10); // 模拟一些操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean casResult = atomicInteger.compareAndSet(originalValue, 110);
System.out.println("Thread 1: CAS result = " + casResult);
System.out.println("Thread 1: Current value = " + atomicInteger.get());
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 2: Original value = " + atomicInteger.get());
atomicInteger.compareAndSet(100, 101);
System.out.println("Thread 2: Value changed to 101");
atomicInteger.compareAndSet(101, 100);
System.out.println("Thread 2: Value changed back to 100");
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("Final value: " + atomicInteger.get());
}
}在这个例子中，thread1尝试将atomicInteger的值从100更新为110。在thread1执行CAS操作之前，thread2将atomicInteger的值从100更新为101，然后再更新回100。这样，当thread1执行CAS操作时，它会发现atomicInteger的值仍然是100，因此CAS操作会成功，但实际上，atomicInteger的值已经经历了改变。这就是ABA问题。
3. 使用AtomicMarkableReference解决ABA问题
AtomicMarkableReference是Java并发包中提供的一个类，它可以用来解决ABA问题。AtomicMarkableReference维护着一个对象引用和一个boolean标记。它可以原子性地更新对象引用和标记。
AtomicMarkableReference的原理是，在执行CAS操作时，不仅要比较对象引用，还要比较标记。如果对象引用和标记都相同，那么CAS操作才会成功。这样，即使对象的值发生了变化，只要标记发生了变化，CAS操作就会失败，从而避免了ABA问题。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;
public class AtomicMarkableReferenceExample {
private static AtomicMarkableReference<Integer> atomicMarkableReference =
new AtomicMarkableReference<>(100, false);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
boolean[] markHolder = new boolean[1];
Integer originalValue = atomicMarkableReference.getReference();
boolean originalMark = atomicMarkableReference.isMarked();
System.out.println("Thread 1: Original value = " + originalValue + ", Original mark = " + originalMark);
try {
Thread.sleep(10); // 模拟一些操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean casResult = atomicMarkableReference.compareAndSet(originalValue, 110, originalMark, true);
System.out.println("Thread 1: CAS result = " + casResult);
System.out.println("Thread 1: Current value = " + atomicMarkableReference.getReference() + ", Current mark = " + atomicMarkableReference.isMarked());
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
System.out.println("Thread 2: Original value = " + atomicMarkableReference.getReference() + ", Original mark = " + atomicMarkableReference.isMarked());
boolean casResult1 = atomicMarkableReference.compareAndSet(100, 101, false, true);
System.out.println("Thread 2: Value changed to 101, Mark changed to true, CAS result = " + casResult1);
boolean casResult2 = atomicMarkableReference.compareAndSet(101, 100, true, false);
System.out.println("Thread 2: Value changed back to 100, Mark changed back to false, CAS result = " + casResult2);
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("Final value: " + atomicMarkableReference.getReference() + ", Final mark = " + atomicMarkableReference.isMarked());
}
}在这个例子中，thread1尝试将atomicMarkableReference的值从100更新为110，并将标记设置为true。在thread1执行CAS操作之前，thread2将atomicMarkableReference的值从100更新为101，并将标记设置为true，然后再将atomicMarkableReference的值从101更新回100，并将标记设置为false。这样，当thread1执行CAS操作时，它会发现atomicMarkableReference的值虽然仍然是100，但是标记已经发生了变化，因此CAS操作会失败，从而避免了ABA问题。
4. AtomicMarkableReference的API
AtomicMarkableReference提供了一些常用的API：
| 方法名 | 描述 |
|---|---|
AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark) |
构造函数，创建一个新的AtomicMarkableReference对象，并设置初始值和初始标记。 |
getReference() |
获取当前的对象引用。 |
isMarked() |
获取当前的标记。 |
get(boolean[] markHolder) |
原子性地获取当前的对象引用和标记。标记会存储在markHolder数组的第一个元素中。 |
compareAndSet(V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark) |
原子性地将对象引用从expectedReference更新为newReference，并将标记从expectedMark更新为newMark。如果当前的对象引用和标记与expectedReference和expectedMark相等，那么更新会成功，并返回true。否则，更新会失败，并返回false。 |
weakCompareAndSet(V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark) |
弱比较并设置。与compareAndSet方法类似，但是它允许在某些情况下出现虚假失败。这意味着即使当前的对象引用和标记与expectedReference和expectedMark相等，更新也可能失败。weakCompareAndSet方法通常比compareAndSet方法更快，但是在需要保证更新一定成功的情况下，应该使用compareAndSet方法。 |
set(V newReference, boolean newMark) |
无条件地设置对象引用和标记。这个方法不是原子性的，因此在多线程环境下使用时需要进行同步。 |
5. AtomicMarkableReference的应用场景
AtomicMarkableReference可以应用于各种需要解决ABA问题和标记状态的并发场景。以下是一些常见的应用场景：
- 并发链表和树结构： 在并发链表和树结构中，当一个节点被移除或添加时，可能会导致ABA问题。使用
AtomicMarkableReference可以确保在执行CAS操作时，只有当节点没有被修改过时，操作才会成功。 - 状态标记： 可以使用
AtomicMarkableReference来标记对象的状态。例如，可以使用标记来表示对象是否已经被初始化，或者是否已经被删除。 - 缓存失效： 在缓存系统中，可以使用
AtomicMarkableReference来标记缓存项是否已经过期。当缓存项过期时，可以将标记设置为true。
6. 使用AtomicStampedReference的替代方案
除了AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference也可以用来解决ABA问题。AtomicStampedReference维护着一个对象引用和一个整数标记（stamp）。与AtomicMarkableReference类似，它可以原子性地更新对象引用和标记。
AtomicStampedReference的原理是，在执行CAS操作时，不仅要比较对象引用，还要比较标记。如果对象引用和标记都相同，那么CAS操作才会成功。每次更新对象引用时，都需要更新标记。这样，即使对象的值发生了变化，只要标记发生了变化，CAS操作就会失败，从而避免了ABA问题。
选择使用AtomicMarkableReference还是AtomicStampedReference取决于具体的应用场景。如果只需要一个简单的boolean标记来表示对象的状态，那么AtomicMarkableReference是一个不错的选择。如果需要更丰富的状态信息，或者需要记录对象被修改的次数，那么AtomicStampedReference可能更适合。
以下是一个使用AtomicStampedReference解决ABA问题的例子：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class AtomicStampedReferenceExample {
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference =
new AtomicStampedReference<>(100, 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(() -> {
int originalStamp = atomicStampedReference.getStamp();
Integer originalValue = atomicStampedReference.getReference();
System.out.println("Thread 1: Original value = " + originalValue + ", Original stamp = " + originalStamp);
try {
Thread.sleep(10); // 模拟一些操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean casResult = atomicStampedReference.compareAndSet(originalValue, 110, originalStamp, originalStamp + 1);
System.out.println("Thread 1: CAS result = " + casResult);
System.out.println("Thread 1: Current value = " + atomicStampedReference.getReference() + ", Current stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
int originalStamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println("Thread 2: Original value = " + atomicStampedReference.getReference() + ", Original stamp = " + originalStamp);
boolean casResult1 = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, originalStamp, originalStamp + 1);
System.out.println("Thread 2: Value changed to 101, Stamp changed to " + (originalStamp + 1) + ", CAS result = " + casResult1);
int newStamp = atomicStampedReference.getStamp();
boolean casResult2 = atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, newStamp, newStamp + 1);
System.out.println("Thread 2: Value changed back to 100, Stamp changed to " + (newStamp + 1) + ", CAS result = " + casResult2);
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println("Final value: " + atomicStampedReference.getReference() + ", Final stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());
}
}7. 选择合适的解决方案
在选择使用AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference还是其他并发工具时，需要考虑以下因素：
- 是否需要解决ABA问题： 如果ABA问题可能导致错误，那么需要使用
AtomicMarkableReference或AtomicStampedReference来解决。 - 需要多少状态信息： 如果只需要一个简单的boolean标记来表示对象的状态，那么
AtomicMarkableReference是一个不错的选择。如果需要更丰富的状态信息，或者需要记录对象被修改的次数，那么AtomicStampedReference可能更适合。 - 性能：
AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference的性能略有不同。在选择时，需要根据具体的应用场景进行性能测试，选择性能更好的方案。 - 代码复杂度：
AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference的使用方法略有不同。在选择时，需要考虑代码的复杂度，选择更容易理解和维护的方案。
8. 总结：解决ABA问题并标记状态
AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference是解决ABA问题和标记状态的有效工具。在并发编程中，需要根据具体的应用场景选择合适的解决方案，以确保程序的正确性和性能。理解ABA问题的本质，并掌握相应的解决方案，是编写高质量并发代码的关键。