JAVA无锁编程：CAS ABA问题与AtomicStampedReference解决方案
大家好，今天我们来探讨一下Java无锁编程中一个常见且棘手的问题：CAS算法的ABA问题，以及如何使用AtomicStampedReference来解决它。
1. CAS算法简介
CAS，全称Compare-and-Swap，即比较并交换。它是一种乐观锁机制，也是实现无锁算法的关键。其基本思想是：在更新一个变量时，先比较内存地址V中的值A是否和预期值B相等，如果相等，则将V中的值更新为新值C；如果不相等，则表示已经有其他线程更新了该变量，当前线程放弃更新，并选择重试或者放弃操作。
CAS操作通常包含三个操作数：
- V (Variable): 要更新的变量的内存地址。
- E (Expected): 预期值。
- N (New): 新值。
Java中的java.util.concurrent.atomic包提供了很多基于CAS的原子类，例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。
例如，使用AtomicInteger实现一个简单的计数器：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Counter {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public int increment() {
int oldValue;
int newValue;
do {
oldValue = count.get();
newValue = oldValue + 1;
} while (!count.compareAndSet(oldValue, newValue)); // CAS操作
return newValue;
}
public int getCount() {
return count.get();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Counter counter = new Counter();
Thread[] threads = new Thread[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
threads[i] = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
counter.increment();
}
});
threads[i].start();
}
for (Thread thread : threads) {
thread.join();
}
System.out.println("Count: " + counter.getCount()); // 预期输出: Count: 10000
}
}在这个例子中，compareAndSet()方法就是CAS操作。它原子性地比较count的当前值和oldValue是否相等，如果相等，则将count的值更新为newValue，并返回true；否则，返回false。do-while循环保证了即使CAS操作失败，也能不断重试，直到成功为止。
2. ABA问题
虽然CAS操作在很多情况下可以有效地实现无锁并发，但也存在一个经典的问题：ABA问题。
假设存在以下场景：
- 线程1从内存地址V中读取值为A。
- 线程2将内存地址V中的值从A修改为B。
- 线程3将内存地址V中的值从B修改回A。
- 线程1再次执行CAS操作，比较V中的值是否仍然为A，结果为true。线程1认为该值没有被修改过，于是成功将V的值更新为新值。
虽然线程1成功完成了CAS操作，但实际上V的值已经发生了改变（A -> B -> A）。对于某些场景，这种改变可能导致严重的问题。
举例说明：假设有一个栈，线程1想要从栈顶弹出一个元素A。如果使用CAS操作，可能会遇到ABA问题。
- 线程1读取栈顶元素A。
- 线程2弹出元素A，然后又将元素A压入栈顶。
- 线程1再次执行CAS操作，发现栈顶元素仍然是A，于是认为栈没有发生变化，继续执行后续操作。
但实际上，栈已经发生了变化：可能在线程2执行期间，栈中其他元素发生了改变，导致线程1后续操作基于的栈状态已经过期。
可以将ABA问题理解为一种“幻觉”，线程认为状态没有改变，但实际上已经改变。
3. AtomicStampedReference：解决方案
Java提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题。AtomicStampedReference维护了一个对象引用和一个整数“时间戳”（stamp）。每次对对象引用进行修改时，都需要更新时间戳。这样，即使对象的值再次变为A，时间戳也会发生变化，CAS操作会检查对象引用和时间戳是否都未改变，从而避免ABA问题。
AtomicStampedReference的常用方法包括：
get(): 获取当前对象引用。getReference(): 获取当前对象引用。getStamp(): 获取当前时间戳。compareAndSet(expectedReference, newReference, expectedStamp, newStamp): 如果当前对象引用等于expectedReference且当前时间戳等于expectedStamp，则原子性地将对象引用更新为newReference，并将时间戳更新为newStamp。weakCompareAndSet(expectedReference, newReference, expectedStamp, newStamp): 类似于compareAndSet，但是允许虚假失败（spurious failure），不保证一定成功，通常用于性能优化。set(newReference, newStamp): 无条件地设置对象引用和时间戳。
下面是一个使用AtomicStampedReference解决ABA问题的例子：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class ABAResolver {
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference =
new AtomicStampedReference<>(100, 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); // 获取初始时间戳
System.out.println("Thread 1: Initial stamp = " + stamp);
try {
Thread.sleep(1000); // 模拟线程1的耗时操作
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean success = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
System.out.println("Thread 1: CAS result = " + success + ", new stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println("Thread 2: Initial stamp = " + stamp);
boolean success1 = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
System.out.println("Thread 2: First CAS result = " + success1 + ", new stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());
boolean success2 = atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
System.out.println("Thread 2: Second CAS result = " + success2 + ", new stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("Final value = " + atomicStampedReference.getReference() + ", final stamp = " + atomicStampedReference.getStamp());
}
}在这个例子中：
atomicStampedReference初始化为值为100，时间戳为0。- 线程2首先将值从100修改为101，时间戳从0修改为1。
- 然后线程2又将值从101修改回100，时间戳从1修改为2。
- 线程1在线程2完成ABA操作后，尝试将值从100修改为101，但由于时间戳已经从0变为2，CAS操作会失败。
通过时间戳，AtomicStampedReference有效地避免了ABA问题。
4. 选择合适的Stamp类型
AtomicStampedReference 使用的 Stamp 是一个 int 类型。 虽然 int 类型在大多数情况下足够使用，但如果需要更高的并发性和更频繁的修改，可能会遇到 Stamp 值溢出的问题。 此外，int类型的Stamp也可能因为数值范围有限，在高并发场景下导致Stamp被快速重复利用，降低了ABA问题的防护效果。
可以考虑使用 AtomicLong 来作为 Stamp 的替代方案，或者使用其他的唯一标识生成策略。 使用 AtomicLong 作为 Stamp，可以极大地扩展 Stamp 的取值范围，降低溢出的风险。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class AtomicLongAsStamp {
private static class Data {
int value;
long version;
public Data(int value, long version) {
this.value = value;
this.version = version;
}
}
private static AtomicReference<Data> atomicData = new AtomicReference<>(new Data(100, 0L));
private static AtomicLong stamp = new AtomicLong(0L);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
Data prevData = atomicData.get();
long currentStamp = stamp.get();
System.out.println("Thread 1: Initial value = " + prevData.value + ", stamp = " + currentStamp);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
Data newData = new Data(101, currentStamp + 1);
boolean success = atomicData.compareAndSet(prevData, newData);
if (success) {
stamp.incrementAndGet();
}
System.out.println("Thread 1: CAS result = " + success + ", new value = " + atomicData.get().value + ", new stamp = " + stamp.get());
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
Data prevData = atomicData.get();
long currentStamp = stamp.get();
System.out.println("Thread 2: Initial value = " + prevData.value + ", stamp = " + currentStamp);
Data newData1 = new Data(101, currentStamp + 1);
boolean success1 = atomicData.compareAndSet(prevData, newData1);
if (success1) {
stamp.incrementAndGet();
}
System.out.println("Thread 2: First CAS result = " + success1 + ", new value = " + atomicData.get().value + ", new stamp = " + stamp.get());
Data newData2 = new Data(100, stamp.get() + 1);
boolean success2 = atomicData.compareAndSet(newData1, newData2);
if (success2) {
stamp.incrementAndGet();
}
System.out.println("Thread 2: Second CAS result = " + success2 + ", new value = " + atomicData.get().value + ", new stamp = " + stamp.get());
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("Final value = " + atomicData.get().value + ", final stamp = " + stamp.get());
}
}5. AtomicMarkableReference
除了AtomicStampedReference，java.util.concurrent.atomic包还提供了AtomicMarkableReference类，它使用一个boolean类型的标记位来表示对象是否被修改过。与AtomicStampedReference使用整数时间戳不同，AtomicMarkableReference更适用于只需要知道对象是否被修改过的场景，而不需要记录修改的次数或版本信息。
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 t1 = new Thread(() -> {
boolean marked = atomicMarkableReference.isMarked();
System.out.println("Thread 1: Initial marked = " + marked);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean success = atomicMarkableReference.compareAndSet(100, 101, marked, true);
System.out.println("Thread 1: CAS result = " + success + ", new marked = " + atomicMarkableReference.isMarked());
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
boolean marked = atomicMarkableReference.isMarked();
System.out.println("Thread 2: Initial marked = " + marked);
boolean success1 = atomicMarkableReference.compareAndSet(100, 101, marked, true);
System.out.println("Thread 2: First CAS result = " + success1 + ", new marked = " + atomicMarkableReference.isMarked());
boolean success2 = atomicMarkableReference.compareAndSet(101, 100, atomicMarkableReference.isMarked(), false);
System.out.println("Thread 2: Second CAS result = " + success2 + ", new marked = " + atomicMarkableReference.isMarked());
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("Final value = " + atomicMarkableReference.getReference() + ", final marked = " + atomicMarkableReference.isMarked());
}
}在这个例子中，AtomicMarkableReference使用一个boolean标记来表示对象是否被修改过。线程2首先将值从100修改为101，并将标记设置为true。然后线程2又将值从101修改回100，并将标记设置为false。线程1在线程2完成ABA操作后，尝试将值从100修改为101，但由于标记已经从false变为false，但是由于线程1等待期间标记已经变动，CAS操作会失败。
6. 选择合适的解决方案
| 特性 | AtomicStampedReference | AtomicMarkableReference |
|---|---|---|
| 附加信息 | 整数时间戳 | 布尔标记 |
| 适用场景 | 需要记录修改次数或版本信息的场景 | 只需要知道对象是否被修改过的场景 |
| 空间占用 | 较大（存储整数） | 较小（存储布尔值） |
| ABA问题解决能力 | 能够完全解决ABA问题 | 能够部分解决ABA问题，仅能标记是否被修改过 |
| 复杂度 | 较高 | 较低 |
选择AtomicStampedReference还是AtomicMarkableReference取决于具体的应用场景。如果需要记录对象的修改次数或版本信息，或者需要完全解决ABA问题，那么AtomicStampedReference是更好的选择。如果只需要知道对象是否被修改过，且对空间占用有要求，那么AtomicMarkableReference可能更合适。
7. 无锁编程的注意事项
虽然无锁编程可以提高并发性能，但也需要注意以下几点：
- ABA问题： 需要仔细分析应用场景，判断是否存在ABA问题，并选择合适的解决方案。
- 活锁： 多个线程不断重试CAS操作，但始终无法成功，导致CPU资源浪费。可以通过引入随机退避等机制来避免活锁。
- 性能： CAS操作的性能通常比锁要好，但在高并发场景下，如果CAS操作失败率很高，可能会导致性能下降。需要根据实际情况进行性能测试和优化。
- 复杂性： 无锁编程通常比使用锁更加复杂，需要仔细设计和测试。
8. 理解ABA问题，选择合适的原子类
总的来说，CAS算法是一种高效的无锁并发机制，但ABA问题是其潜在的陷阱。AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference是解决ABA问题的有效工具，可以根据具体的应用场景选择合适的原子类。在进行无锁编程时，需要充分考虑ABA问题，活锁以及性能等因素，才能充分发挥无锁编程的优势。