CAS的ABA问题，ABA问题会导致什么后果？

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分类专栏： 多线程/并发 java 文章标签： java
于 2019-01-16 10:10:07 首次发布
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本文深入探讨了并发场景下ABA问题的产生原因及其对业务的影响，通过实例解析了CAS机制如何解决并发更新的一致性问题，并提出了引入版本号的优化方案。

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ABA问题会导致什么后果？（以下为转载）

https://blog.youkuaiyun.com/wufaliang003/article/details/78797203 

一、并发业务场景

库存业务，stock(sid, num)，其中：

sid为库存id

num为库存值

如上图所示，两个并发的查询库存操作，同时从数据库都得到了库存是5。

接下来用户发生了并发的库存扣减动作：

用户1购买了3个库存，于是库存要设置为2

用户2购买了2个库存，于是库存要设置为3

这两个设置库存的接口并发执行，库存会先变成2，再变成3，导致数据不一致（实际卖出了5件商品，但库存只扣减了2，最后一次设置库存会覆盖和掩盖前一次并发操作）

二、不一致原因分析

出现数据不一致的根本原因，是设置操作发生的时候，没有检查库存与查询出来的库存有没有变化，理论上：

仅库存为5的时候，用户1的库存设置2才能成功

仅库存为5的时候，用户2的库存设置3才能成功

实际执行的时候：

库存为5，用户1的set stock 2确实应该成功

库存变为2了，用户2的set stock 3应该失败掉

三、CAS优化

大家常说的“Compare And Set”（CAS），是一种常见的降低读写锁冲突，保证数据一致性的乐观锁机制。

针对上述库存扣减的例子，CAS升级很容易，将库存设置接口执行的SQL：

update stock set num=$num_new where sid=$sid

升级为：

update stock set num=$num_new where sid=$sid and num=$num_old

即可。

四、什么是ABA问题

CAS乐观锁机制确实能够提升吞吐，并保证一致性，但在极端情况下可能会出现ABA问题。

什么是ABA问题？

考虑如下操作：

并发1（上）：获取出数据的初始值是A，后续计划实施CAS乐观锁，期望数据仍是A的时候，修改才能成功

并发2：将数据修改成B

并发3：将数据修改回A

并发1（下）：CAS乐观锁，检测发现初始值还是A，进行数据修改

上述并发环境下，并发1在修改数据时，虽然还是A，但已经不是初始条件的A了，中间发生了A变B，B又变A的变化，此A已经非彼A，数据却成功修改，可能导致错误，这就是CAS引发的所谓的ABA问题。

库存操作，出现ABA问题并不会对业务产生影响。

再看一个堆栈操作的例子：

并发1（上）：读取栈顶的元素为“A1”

并发2：进行了2次出栈

并发3：又进行了1次出栈

并发1（下）：实施CAS乐观锁，发现栈顶还是“A1”，于是修改为A2

此时会出现系统错误，因为此“A1”非彼“A1”

五、ABA问题的优化

ABA问题导致的原因，是CAS过程中只简单进行了“值”的校验，再有些情况下，“值”相同不会引入错误的业务逻辑（例如库存），有些情况下，“值”虽然相同，却已经不是原来的数据了。

优化方向：CAS不能只比对“值”，还必须确保的是原来的数据，才能修改成功。

常见实践：“版本号”的比对，一个数据一个版本，版本变化，即使值相同，也不应该修改成功。

库存的并发读写例子，引入版本号的具体实践如下：

（1）库存表由

stock(sid, num)

升级为

stock(sid, num, version)

（2）查询库存时同时查询版本号

select num from stock where sid=$sid

升级为

select num, version from stock where sid=$sid

假设有并发操作，都会将版本号查询出来

（3）设置库存时，必须版本号相同，并且版本号要修改

旧版本“值”比对CAS

update stock set num=$num_new where sid=$sid and num=$num_old

升级为“版本号”比对CAS

update stock set num=$num_new, version=$version_new

 where sid=$sid and version=$version_old

此时假设有并发操作，第一个操作，比对版本号成功，于是把库存和版本号都进行了修改。

同时存在的第二个并发操作，比对版本号发生了变化，也是库存应该修改失败。

六、总结

select&set业务场景，在并发时会出现一致性问题

基于“值”的CAS乐观锁，可能导致ABA问题

CAS乐观锁，必须保证修改时的“此数据”就是“彼数据”，应该由“值”比对，优化为“版本号”比对

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### CAS 中的 ABA 问题及其解决方案 #### 什么是 CAS？ CAS（Compare-And-Swap）是一种用于实现原子操作的技术，广泛应用于多线程环境下的并发编程中。它通过比较内存中的值与预期值是否一致来决定是否更新为新值[^3]。 #### ABA 问题的定义 ABA 问题是指在多线程环境下，一个共享变量的值从 A 变为 B，然后又从 B 变回 A，而 CAS 操作可能会错误地认为该值没有被修改过。这种误判可能导致逻辑错误或不正确的程序行为[^4]。 #### ABA 问题的示例代码 以下是一个简单的代码示例，展示了 ABA 问题的发生： ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference; public class ABADemo { static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A"); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // 获取初始值 A String prev = ref.get(); // 启动线程 t1 将值从 A 改为 B new Thread(() -> { System.out.println("t1: change A->B " + ref.compareAndSet(ref.get(), "B")); }, "t1").start(); // 线程 t2 将值从 B 改回 A Thread.sleep(500); // 确保 t1 先执行 new Thread(() -> { System.out.println("t2: change B->A " + ref.compareAndSet(ref.get(), "A")); }, "t2").start(); // 主线程尝试将值从 A 改为 C Thread.sleep(1000); // 确保 t1 和 t2 执行完毕 System.out.println("main: change A->C " + ref.compareAndSet(prev, "C")); } } ``` 在上述代码中，主线程期望将值从 A 改为 C，但由于其他线程的操作导致值从 A 到 B 再回到 A，CAS 操作会错误地认为值未被修改，从而允许将值改为 C[^4]。 #### 解决 ABA 问题的方法 为了防止 ABA 问题的发生，可以引入版本号机制，确保每次修改时不仅检查值是否相同，还检查版本号是否匹配。 ##### 使用 `AtomicStampedReference` `AtomicStampedReference` 是 Java 提供的一种解决 ABA 问题的工具类。它通过引入一个额外的“戳记”（stamp）来记录值的变化次数，从而避免单纯的值比较带来的误判。 ###### 示例代码 以下是一个使用 `AtomicStampedReference` 解决 ABA 问题的示例： ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference; public class AtomicStampedReferenceDemo { static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0); public static void main(String[] args) throws InterruptedException { int[] stampHolder = {ref.getStamp()}; // 启动线程 t1 将值从 A 改为 B，并增加戳记 new Thread(() -> { boolean success = ref.compareAndSet("A", "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1); if (success) { System.out.println("t1: change A->B"); } }, "t1").start(); // 启动线程 t2 将值从 B 改回 A，并再次增加戳记 Thread.sleep(500); // 确保 t1 先执行 new Thread(() -> { boolean success = ref.compareAndSet("B", "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1); if (success) { System.out.println("t2: change B->A"); } }, "t2").start(); // 主线程尝试将值从 A 改为 C，但需要检查戳记是否匹配 Thread.sleep(1000); // 确保 t1 和 t2 执行完毕 boolean success = ref.compareAndSet("A", "C", stampHolder[0], stampHolder[0] + 1); if (success) { System.out.println("main: change A->C"); } else { System.out.println("main: failed to change A->C due to stamp mismatch"); } } } ``` 在上述代码中，主线程通过检查戳记是否匹配来判断值是否真的未被修改，从而避免了 ABA 问题的发生[^1]。 #### 总结 ABA 问题是 CAS 操作中常见的一个问题，可能导致程序逻辑错误。通过引入版本号机制，例如使用 `AtomicStampedReference`，可以有效解决这一问题。 --- ###
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