В многозадачных вычислениях проблема ABA возникает при синхронизации, когда ячейка памяти читается дважды, оба раза прочитано одинаковое значение, и признак «значение одинаковое» трактуется как «ничего не менялось». Однако, другой поток может выполниться между этими двумя чтениями, поменять значение, сделать что-нибудь ещё и восстановить старое значение. Таким образом, первый поток обманется, считая, что не поменялось ничего, хотя второй поток уже разрушил это предположение.
Проблема ABA возникает, когда множество потоков (или процессов) обращается к разделяемой памяти поочерёдно. Вот пример последовательности событий, ведущих к проблеме ABA: Процесс читает значение A из разделяемой памяти, вытесняется, позволяя выполняться , меняет значение A на B и обратно на A перед вытеснением, возобновляет работу, видит, что значение не изменилось, и продолжает…
Хотя может продолжать работу, возможно, что его поведение будет неправильным из-за других, скрытых изменений общей памяти (которые он не отслеживал).
Обычно с проблемой ABA сталкиваются при реализации lock-free структур и алгоритмов. Если из списка удалить элемент, уничтожить его, а затем создать новый элемент и добавить обратно в список, есть вероятность, что новый элемент будет размещён на месте старого. Указатель на новый элемент совпадёт с указателем на старый, что и приведёт к проблеме: равенство признаков не есть равенство данных целиком.
Пример Рассмотрим lock-free стек:
/* Наивная реализация lock-free стека, страдающая проблемой ABA.*/ class Stack { volatile Obj* top_ptr; // // Снимает верхний элемент и возвращает указатель на него. // Obj* Pop() { while(1) { Obj* ret_ptr = top_ptr; if (!ret_ptr) return NULL; Obj* next_ptr = ret_ptr->next; // Если верхний элемент - всё ещё ret, считаем, что никто не менял стек. // (Это утверждение не всегда истинно из-за проблемы ABA) // Атомарно заменяем top на next. if (CompareAndSwap(top_ptr, ret_ptr, next_ptr)) { return ret_ptr;
// Иначе - стек изменён, пробуем заново.
// // Добавляет obj_ptr на вершину стека. // void Push(Obj* obj_ptr) { while(1) { Obj* next_ptr = top_ptr; obj_ptr->next = next_ptr; // Если верхний элемент - всё ещё next, считаем, что никто не менял стек. // (Это утверждение не всегда истинно, из-за проблемы ABA) // Атомарно заменяем top на obj. if (CompareAndSwap(top_ptr, next_ptr, obj_ptr)) { return;
// Иначе - стек изменён, пробуем заново.
Этот код обычно может предотвращать проблемы с конкурентным доступом, но страдает проблемой ABA. Рассмотрим следующую последовательность:
Изначально стек содержит top → A → B → C
Поток 1 начинает выполнять pop: ret = A; next = B; Поток 1 прерывается непосредственно перед CompareAndSwap…
{ // Поток 2 выполняет pop: ret = A; next = B; CompareAndSwap(A, A, B) // Удача, top = B return A; } // Теперь на стеке top → B → C { // Поток 2 выполняет pop ещё раз: ret = B; next = C; CompareAndSwap(B, B, C) // Удача, top = C return B; } // Теперь на стеке top → C delete B; { // Поток 2 добавляет A обратно на стек: A->next = C; CompareAndSwap(C, C, A) // Удача, top = A
Теперь стек содержит top → A → C
Поток 1 продолжает работу: CompareAndSwap(A, A, B)
Эта инструкция выполняется успешно, поскольку top == ret (оба равны A), то она присваивает top значение next (которое равно B). Но B было уничтожено! Это приведёт к плохим последствиям…
.Net позволяет реализовать CompareAndSwap (CAS) функцию атомарно благодаря методу Interlocked.CompareExchange(). private static bool CAS( ref Node<T> location, Node<T> newValue, Node<T> comparand) { // 1. если comparand и location равны, то другой поток не трогал значение location // 2. location будет присвоен newValue // 3. Метод вернёт старое значение location независимо от присвоения // 4. copmarand сравнится со старым значением location (т.е. oldLocation) // 5. если oldLocation(старый, возвращённый) не был изменён другим потоком то и CAS вернёт true, т.к. он совпадёт с comparand
var oldLocation = Interlocked.CompareExchange<Node<T>>( ref location, newValue, comparand); // это атомарная операция return comparand == oldLocation;
Пример lock-free стека для .Net с использованием атомарной функции CAS: public class SimpleStack<T> { private class Node<V>
public Node<V> Next; public V Item;
private Node<T> head; public SimpleStack()
head = new Node<T>();
public void Push(T item)
Node<T> node = new Node<T>(); node.Item = item; do
node.Next = head.Next;
while ( CAS(ref head.Next, node, node.Next) == false); // ждём момента, когда node.Next и head.Next указывают на один и тот же элемент. // Тогда можно делать перестановку указателей, чтобы head показывал на node. После этого выход из цикла.
public T Pop()
Node<T> node; do
node = head.Next; if (node == null) return default(T);
while (CAS(ref head.Next, node.Next, node) == false); // 1. В CAS не будет ABA-проблемы. // 2. node.Next не вызывает NullReferenceException (node != null), // потому что в .Net память управляемая return node.Item;
ABA-проблема для данной реализации стека на .net становится неактуальной благодаря среде с использованием сборщика мусора: мы не потеряем и не используем повторно (в другом потоке) ссылку на node (при доступе к node.Next в CAS) если вдруг поток № 2 раньше, чем поток № 1, выполнит операцию Pop(). В средах без управления памятью эта проблема стоит остро и данное решение не подходит.
Обходные решения Обычное обходное решение — это добавить дополнительные биты «метки» в проверяемое значение. Например, алгоритм, использующий compare-and-swap над указателями, может использовать младшие биты адреса для проверки, сколько раз указатель был изменён. Из-за этого следующий compare-and-swap не сработает, поскольку биты меток не совпадут. Это не решает проблемы полностью, так как значение битов метки может претерпеть циклический возврат к нулю. Некоторые архитектуры предоставляют двухсловный compare-and-swap, что позволяет сделать большую метку. Обычно это называется ABA', потому что второе значение A слегка отличается от первого.
Правильный, но дорогой подход состоит в использовании промежуточных узлов, которые не являются пользовательскими данными, а обеспечивают инвариантность операций добавления и удаления. [Valois].
Другой подход — использовать один или несколько hazard pointer'ов (указателей опасности), — указателей, которые в принципе не могут появиться в структуре данных. Каждый hazard pointer обозначает промежуточное состояние структуры в процессе изменения; наличие указателей требует дальнейшей синхронизации (Даг Ли).
Некоторые архитектуры предоставляют «укрупнённые» атомарные операции, благодаря чему, например, можно атомарно изменять сразу обе ссылки, вперёд и назад, в двусвязном списке.
Некоторые архитектуры предоставляют инструкцию load linked, store conditional в которой запись в ячейку возможна, только если не было других записей в указанную ячейку. Это эффективно отделяет признак «ячейка содержит значение» от признака «ячейка была изменена». Примеры архитектур — ARM, DEC Alpha, PowerPC.
Литература Damian Dechev, Peter Pirkelbauer, and Bjarne Stroustrup. Lock-free Dynamically Resizable Arrays Julian M Bucknall, Lock-free Data Structures: the stack.
Ссылки Double checked locking Concurrent Data Structures — схемы решения проблемы ABA на C++ (hazard pointers, pass-the-buck, tagged pointers и другие)
Категория:Управление конкурентными потоками