C++如何在多线程中避免ABA问题-C++-PHP中文网

解决ABA问题的核心是引入版本号。通过将指针与递增的版本号封装为复合结构，使compare_exchange在值相同但版本不同时失败，从而识别出中间状态变化，避免因值被重置而导致的并发错误。

c++如何在多线程中避免aba问题

在C++多线程环境中，要避免ABA问题，最核心的策略是为被操作的数据引入一个“版本号”或“标记位”。当你使用

std::atomic

登录后复制

的

compare_exchange

登录后复制

操作时，不仅仅比较目标值是否是你期望的旧值，还要同时比对这个版本号。如果版本号也匹配，才执行更新并递增版本号。这样一来，即使一个值从A变到B又变回A，版本号也会不同，

compare_exchange

登录后复制

会正确地识别出中间发生过变化，从而避免逻辑错误。

解决方案

ABA问题是一个在无锁（lock-free）编程中非常棘手且隐蔽的并发缺陷。它发生在当一个共享变量的值从A变为B，然后又变回A时，一个线程在读取到A后，可能会误以为该变量从未被修改过，从而基于一个过时的状态做出错误的决策。解决这个问题的关键在于，我们不能仅仅依赖于数据本身的值来判断其是否被修改，还需要一个额外的、能体现数据“历史”的标记。

最直接且广泛接受的解决方案是引入一个与数据紧密绑定的“版本号”或“标记位”。通常，我们会将要操作的指针或值与一个递增的整数版本号封装在一起，形成一个复合结构体，然后让

std::atomic

登录后复制

去管理这个复合结构体。

例如，如果你想在无锁栈中安全地操作栈顶指针，你不能只用

std::atomic<Node*>

登录后复制

。你需要一个像这样的结构：

立即学习“C++免费学习笔记（深入）”；

struct TaggedPointer {
    Node* ptr;
    int tag; // 版本号，每次更新ptr时递增
};
std::atomic<TaggedPointer> head;

登录后复制

当一个线程尝试修改

head

登录后复制

时，它会先读取当前的

TaggedPointer

登录后复制

（包含旧的

ptr

登录后复制

和旧的

tag

登录后复制

），然后构造一个新的

TaggedPointer

登录后复制

（包含新的

ptr

登录后复制

和旧的

tag

登录后复制

加1），最后使用

compare_exchange_strong

登录后复制

（或

weak

登录后复制

）来尝试原子更新。

TaggedPointer old_head = head.load(std::memory_order_acquire);
// 假设这里计算出了新的指针 new_ptr
TaggedPointer new_head = {new_ptr, old_head.tag + 1};

// 尝试原子更新：如果head当前值仍然是old_head，则更新为new_head
// 否则，说明有其他线程修改了head，操作失败，需要重试
if (head.compare_exchange_strong(old_head, new_head, 
                                 std::memory_order_release, 
                                 std::memory_order_acquire)) {
    // 成功更新
} else {
    // 失败，old_head已经被compare_exchange_strong更新为当前head的值，可以重试
}

登录后复制

通过这种方式，即使

ptr

登录后复制

的值从A变回A，

tag

登录后复制

也会因为中间的修改而递增，使得

compare_exchange

登录后复制

操作能够正确识别出状态的改变，从而避免ABA问题。这本质上是将一个单值比较扩展为“值+历史”的比较。

ABA问题在C++并发编程中具体指什么？为何它难以察觉？

说实话，ABA问题是并发编程里一个挺微妙的坑。它指的是这样一种情况：一个共享变量在某个时间点是值A，然后被某个线程修改成了B，接着又被另一个（或者同一个）线程改回了A。对于那些只关心“当前值”是否为A的原子操作，比如C++中的

std::atomic::compare_exchange

登录后复制

，它会成功地认为这个变量从未被修改过，因为它看到的旧值和当前值都是A。但实际上，变量的“生命周期”或“状态”已经发生了变化。

举个例子，想象一个无锁栈的

pop

登录后复制

操作。一个线程读取到栈顶指针

登录后复制

，正准备将其从链表中移除。但就在它执行

compare_exchange

登录后复制

之前，另一个线程执行了

pop

登录后复制

操作，移除了

登录后复制

，接着又执行了

push

登录后复制

操作，恰好把一个新节点（或者被回收的旧节点）放到了与

登录后复制

相同的内存地址上。这时，第一个线程回来执行

compare_exchange

登录后复制

，它会发现栈顶指针仍然是

登录后复制

（因为内存地址相同），于是它会成功地将这个“新的A”从栈顶移除，导致逻辑错误，比如破坏了栈的结构，或者导致悬空指针。

为什么它难以察觉？这正是其麻烦之处。首先，它是一个典型的竞态条件，只在特定的时序下才会发生，而且往往需要多个线程的复杂交织操作才能触发。其次，当它发生时，你看到的变量值确实是A，这让你很难通过简单的断点调试来发现问题。你可能会看到你的

compare_exchange

登录后复制

成功了，但程序的行为却莫名其妙地出错了。这种错误往往是间歇性的，难以复现，而且错误现象可能离ABA发生的地点很远，这无疑增加了调试的难度。这就像一个隐形的小偷，偷走了你的东西，然后又把一个看起来一模一样的东西放回原处，让你误以为一切正常。

360智图

AI驱动的图片版权查询平台

143

查看详情

如何通过版本号或标记位机制有效解决C++中的ABA问题？

要有效解决C++中的ABA问题，版本号或标记位机制是目前最主流且可靠的方法。它的核心思想是给每个被原子操作管理的数据项附加一个唯一的、单调递增的“版本号”或“标签”。这样，即使数据本身的值回到了A，其版本号也会因为中间的修改而增加，从而使得

compare_exchange

登录后复制

能够识别出状态的变化。

具体实现上，我们通常会创建一个复合结构体，将目标指针（或值）和版本号捆绑在一起。例如：

// 假设这是我们要在无锁数据结构中操作的节点
struct Node {
    int value;
    Node* next;
    // ... 其他数据
};

// 封装指针和版本号的结构体
struct TaggedPointer {
    Node* ptr;
    unsigned int tag; // 使用无符号整数作为版本号，确保递增
};

// 我们的原子变量将管理这个TaggedPointer
std::atomic<TaggedPointer> head_with_tag;

登录后复制

在进行任何修改

head_with_tag

登录后复制

的操作时，我们都遵循以下模式：

加载当前状态： 使用
```
head_with_tag.load(std::memory_order_acquire)
```
登录后复制
获取当前的
```
TaggedPointer
```
登录后复制
，包括旧的指针
```
old_ptr
```
登录后复制
和旧的版本号
```
old_tag
```
登录后复制
。
```
memory_order_acquire
```
登录后复制
确保在此之后的所有内存操作都能看到
```
head_with_tag
```
登录后复制
之前的写入。
准备新状态： 根据业务逻辑，计算出新的指针
```
new_ptr
```
登录后复制
。然后，构造一个新的
```
TaggedPointer
```
登录后复制
，其中包含
```
new_ptr
```
登录后复制
和递增后的版本号
```
old_tag + 1
```
登录后复制
。
尝试原子更新： 调用
```
head_with_tag.compare_exchange_strong(old_tagged_ptr, new_tagged_ptr, std::memory_order_release, std::memory_order_acquire)
```
登录后复制
。
- ```
old_tagged_ptr
```
  登录后复制
  是我们在步骤1中加载的那个结构体。
```
compare_exchange_strong
```
  登录后复制
  会比较
```
head_with_tag
```
  登录后复制
  的当前值是否与
```
old_tagged_ptr
```
  登录后复制
  完全一致（包括
```
ptr
```
  登录后复制
  和
```
tag
```
  登录后复制
  ）。
- 如果一致，则原子地将
```
head_with_tag
```
  登录后复制
  更新为
```
new_tagged_ptr
```
  登录后复制
  ，并返回
```
true
```
  登录后复制
  。
```
memory_order_release
```
  登录后复制
  确保此操作之前的所有内存写入对其他线程可见。
- 如果不一致，说明在加载到尝试更新之间，有其他线程修改了
```
head_with_tag
```
  登录后复制
  。此时，
```
compare_exchange_strong
```
  登录后复制
  会将
```
head_with_tag
```
  登录后复制
  的当前值写入
```
old_tagged_ptr
```
  登录后复制
  ，并返回
```
false
```
  登录后复制
  。我们通常会进入一个循环，重新执行步骤1到3，直到成功。

这种机制的有效性在于，它强制要求任何对指针的修改都必须伴随着版本号的递增。即使一个指针值回到了A，其版本号也必然是不同的。因此，

compare_exchange

登录后复制

会因为版本号不匹配而失败，从而正确地指示出中间发生过的修改，避免了ABA问题。

需要注意的是，

std::atomic<TaggedPointer>

登录后复制

是否是无锁的，取决于

TaggedPointer

登录后复制

的大小和平台架构。你可以使用

head_with_tag.is_lock_free()

登录后复制

来检查。如果不是无锁的，

std::atomic

登录后复制

会退化为使用内部锁来模拟原子操作，这可能会影响性能。在某些情况下，如果

TaggedPointer

登录后复制

太大，你可能需要考虑使用双字CAS（Double-Word Compare-And-Swap，DCAS）指令，但C++标准库并没有直接提供DCAS的接口，通常需要依赖特定的编译器或平台扩展。

除了版本号，C++中还有哪些高级技术或注意事项能辅助规避ABA问题？

除了版本号机制，C++并发编程中还有一些高级技术和设计考量，它们虽然不直接是ABA问题的“解药”，但能在不同程度上辅助规避或降低ABA问题发生的风险，尤其是在构建复杂的无锁数据结构时。

内存回收方案（Hazard Pointers / RCU）： ABA问题常常与内存回收紧密相关。当一个节点被从数据结构中“逻辑移除”后，如果它被立即回收并重新分配给一个新的节点，并且这个新节点恰好又被放回了之前的位置，ABA问题就可能发生。
- Hazard Pointers（危险指针）：这是一种非常有效的机制，用于延迟回收那些可能仍然被其他线程引用的内存。每个工作线程维护一个“危险指针”列表，指向它当前正在访问的那些可能被其他线程删除的节点。当一个节点被逻辑删除时，它不会立即被回收，而是被放到一个待回收列表中。只有当所有线程的危险指针都不再指向这个节点时，它才会被安全地回收。这大大降低了旧内存地址被快速重用导致ABA的概率。
- RCU（Read-Copy-Update，读-复制-更新）：RCU是另一种复杂的内存管理策略，特别适用于读多写少的数据结构。写操作会复制一份数据结构，在新副本上进行修改，然后原子地更新指针指向新副本。旧副本在所有读取者都完成访问后才会被回收。RCU也能有效避免ABA，因为它确保在旧数据被回收之前，没有新的数据会占用其内存。这些方案虽然增加了复杂性，但对于构建高性能、健壮的无锁数据结构来说，它们是不可或缺的。
智能指针的考量（
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
）：
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
本身通过引用计数管理对象的生命周期，可以防止悬空指针。如果一个无锁数据结构中的节点是通过
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
来管理的，那么当一个节点被移除时，只要还有其他
```
shared_ptr
```
登录后复制
引用它，它就不会被销毁。这在一定程度上减少了内存被快速重用导致ABA的可能性。然而，
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
的引用计数更新本身也可能成为性能瓶颈，而且它并不能直接解决
```
compare_exchange
```
登录后复制
操作中指针值本身的ABA问题——如果一个
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
被移除，然后一个新的
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
恰好在同一个内存地址上被创建并指向一个新对象，那么对于只比较指针地址的
```
compare_exchange
```
登录后复制
仍然可能出现ABA。所以，
```
std::shared_ptr
```
登录后复制
更多是解决内存安全问题，而非直接解决
```
compare_exchange
```
登录后复制
的ABA问题。在无锁数据结构中，通常需要更细粒度的控制，如版本号。
设计简化与权衡： 有时候，最“高级”的技术反而是回归本源。在某些场景下，如果无锁设计的性能提升并不显著，或者实现和调试的复杂性过高，那么使用传统的互斥锁（如
```
std::mutex
```
登录后复制
）可能是更明智的选择。一个简单的、正确且易于维护的锁机制，往往比一个复杂、难以调试的无锁设计更具实际价值。在设计并发数据结构时，我们应该始终进行性能分析和权衡，而不是盲目追求无锁。
严格的测试与验证： ABA问题由于其隐蔽性和竞态条件特性，常规的单元测试很难完全覆盖。需要采用更高级的测试方法：
- 压力测试（Stress Testing）：在高并发、长时间运行的条件下对数据结构进行测试，尽可能触发各种竞态条件。
- 模糊测试（Fuzz Testing）：随机生成输入和操作序列，探测潜在的漏洞。
- 模型检查（Model Checking）：使用专门的工具对并发算法进行形式化验证，确保其在所有可能的状态转换下都能正确运行。虽然这些方法不能直接“规避”ABA，但它们是发现和验证解决方案有效性的关键手段。

总的来说，解决C++中ABA问题的核心是版本号。而像Hazard Pointers、RCU这样的高级内存回收机制，则是为无锁数据结构提供了一个更安全的内存环境，进一步降低了ABA发生的可能性，并提升了整体的健壮性。但无论采用何种技术，深入理解其工作原理，并进行充分的测试和验证，都是确保并发程序正确性的基石。

以上就是C++如何在多线程中避免ABA问题的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！