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CAS下ABA问题及优化方案

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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
20201125223239557.png
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:
20201125223239629.png
如上图所示:
•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:
20201125223239722.png
并发1(上):读取栈顶的元素为“A1”
20201125223240004.png
并发2:进行了2次出栈
20201125223240192.png
并发3:又进行了1次出栈
20201125223240240.png
并发1(下):实施CAS乐观锁, 发现栈顶还是“A1”,于是修改为A2
20201125223240436.png
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  

20201125223240487.png
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 

20201125223240557.png
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。

20201125223240620.png
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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