CAS下ABA问题及优化方案

逃离我推掉我的手 2022-06-13 01:07 248阅读 0赞

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：  
![这里写图片描述][SouthEast]  
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 n ewwheresid= sid  
升级为：  
update stock set num=num n ewwheresid= 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：  
![这里写图片描述][SouthEast 1]  
并发1（上）：读取栈顶的元素为“A1”  
![这里写图片描述][SouthEast 2]  
并发2：进行了2次出栈  
![这里写图片描述][SouthEast 3]  
并发3：又进行了1次出栈  
![这里写图片描述][SouthEast 4]  
并发1（下）：实施CAS乐观锁，发现栈顶还是“A1”，于是修改为A2  
![这里写图片描述][SouthEast 5]  
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selectnum,versionfromstockwheresid= sid  
![这里写图片描述][SouthEast 6]  
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 n ewwheresid= sid and num=num o ld升级为“版本号”比对CASupdatestocksetnum= num\_new, version=version n ewwheresid= sid and version=$version\_old  
![这里写图片描述][SouthEast 7]  
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。  
![这里写图片描述][SouthEast 8]  
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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