JMM的CAS机制和带来的ABA问题

CAS

CAS全称是CompareAndSwap，是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU经过比较后原子地更新某个位置的值，CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了封装汇编的接口。

我们知道synchronized是一种悲观锁，它使得其它需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。而乐观锁却不加锁，它假设没有冲突去完成某项操作，如果冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap。

以java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger为例，我们看一下在没有锁的情况下是如何做到数据一致的。

    private volatile int value;

    public final int get() {
        return value;
    }

    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

incrementAndGet方法每次从内存中获取value和+1后的结果next，再进行CAS操作，即将value值和最新内存值进行比较。如果一致就更新next，否则重试直到成功为止。

ABA问题

运用CAS做Lock-Free操作存在着一个经典的ABA问题：

1. 现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A。这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：

   head.compareAndSet(A,B);
   

2. 在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再依次入栈D、C、A，而对象B此时处于游离状态。

3. 此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B。但实际上B.next为null，此时堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，C、D被丢掉了。

以上就是由于ABA问题带来的隐患，各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记，避免并发操作带来的问题。在Java中，AtomicStampedReference也实现了这个作用，它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题。例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新，AtomicInteger会成功执行CAS操作，而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败：

public class ABA {

    private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                atomicInt.compareAndSet(101, 100);
            }
        });

        Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                System.out.println(c3); //true
            }
        });

        intT1.start();
        intT2.start();
        intT1.join();
        intT2.join();

        Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
            }
        });

        Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
                System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp); // stamp = 0
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedRef.getStamp());//stamp = 1
                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                System.out.println(c3); //false
            }
        });

        refT1.start();
        refT2.start();
    }

}