CAS导致的ABA问题及解决

Java并发--非阻塞同步

CAS问题引入

在并发问题中，最先想到的无疑是互斥同步，但线程阻塞和唤醒带来了很大的性能问题，同步锁的核心无非是防止共享变量并发修改带来的问题，但不是任何时候都有这样的竞争关系。

什么是CAS

CAS，比较并交换（Compare-and-Swap，CAS），如果期望值和主内存值一样，则交换要更新的值，也称乐观锁。

如线程甲从主内存中拷贝了变量A为1，在自己的线程中将副本A改为了10，当线程甲准备把这个变量更新到主内存时，如果主内存A的值不改变（期望值），还是1，那么线程甲成功更新主内存中A的值。但如果主内存A的值已经先被其他线程改掉不为1，那么线程甲不断地重试，直到成功为止（自旋）。

CAS来自哪

CAS属于J.U.C包，调用的Unsafe 类中方法，这是一种硬件支持的原子性操作，不能被打断或停止，无需互斥同步。

以AtomicInteger下的getAndAddInt方法为例，U即Unsafe类。

/**
  * @param expectedValue 期望值
  * @param newValue 新值
  * @return 比价更新是否成功.
  */
public final int incrementAndGet() {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1) + 1;
}
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再往下看，通过 getIntVolatile(o, offset) 得到以前的值v，通过调用 weakCompareAndSetInt() 来进行 CAS 比较，如果该字段内存地址中的值等于 v，那么就更新内存地址为 o+offset的变量为 v + delta。getAndAddInt()方法 在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。

/**
     * @param o 更新字段/元素的对象/数组
     * @param offset 字段/元素偏移量
     * @param delta 要添加的值，步长
     * @return 以前的值
     * @since 1.8
     */
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}
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运行代码示例

线程t1,t2，同时修改主内存的一变量值，人为的让B快与A

public class TestCAS {
    // 主内存atomicInteger初始值为1
    public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        // A线程计划将值改为10，先休眠2s,再比较交换
        new Thread(() -> {
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("当前线程: "+Thread.currentThread().getName()+"比较交换结果："
                    +atomicInteger.compareAndSet(1, 10)+" 现在值为："+atomicInteger.get());
        },"t1").start();

        // B线程计划将值改为10，不休眠
        new Thread(() -> {
            System.out.println("当前线程: "+Thread.currentThread().getName()+"比较交换结果："
                    +atomicInteger.compareAndSet(1, 20)+" 现在值为："+atomicInteger.get());
        },"t2").start();
    }
}
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控制台

当前线程: t2比较交换结果：true 现在值为：20
当前线程: t1比较交换结果：false 现在值为：20
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这样不用加同步锁，就实现了变量的并发修改带来的问题。

如果你的好朋友向你借走了10块，第二天他又还给你了10块，如果的你的朋友只是为了买包零食，你可能不会在乎，如何他用那10块中了大奖，你可能会有些着急了...

ABA问题引入

上个代码中，存在一个问题。如：t1,t2线程都拷贝到变量atomicInteger=1，如果B线程优先级较高或运气好，第一次，t2先将atomicInteger修改为20并成功写入主内存，接着t2又拷贝到atomicInteger=20，将副本又改为1，并成功写回主内存。第三次，t1拿到主内存atomicInteger的值。可这个值已经被t2修改过两次，会有问题吗？

ABA问题

如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

ABA解决

1. 互斥同步锁synchronized

2. 如果项目只在乎数值是否正确， 那么ABA 问题不会影响程序并发的正确性。

3. J.U.C 包提供了一个带有时间戳的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决该问题，它通过控制变量的版本来保证 CAS 的正确性。

AtomicStampedReference代码示例

public class SolveCAS {
    // 主内存共享变量，初始值为1，版本号为1
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new
            AtomicStampedReference<>(1, 1);


    public static void main(String[] args) {
        // t1,期望将1改为10
        new Thread(() -> {
            // 第一次拿到的时间戳
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第1次时间戳："+stamp+" 值为："+atomicStampedReference.getReference());
            // 休眠5s,确保t2执行完ABA操作
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            // t2将时间戳改为了3,cas失败
            boolean b = atomicStampedReference.compareAndSet(1, 10, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" CAS是否成功："+b);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 当前最新时间戳："+atomicStampedReference.getStamp()+" 最新值为："+atomicStampedReference.getReference());
        },"t1").start();

        // t2进行ABA操作
        new Thread(() -> {
            // 第一次拿到的时间戳
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第1次时间戳："+stamp+" 值为："+atomicStampedReference.getReference());
            // 休眠，修改前确保t1也拿到同样的副本，初始值为1
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            // 将副本改为20，再写入，紧接着又改为1，写入，每次提升一个时间戳，中间t1没介入
            atomicStampedReference.compareAndSet(1, 20, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第2次时间戳："+atomicStampedReference.getStamp()+" 值为："+atomicStampedReference.getReference());
            atomicStampedReference.compareAndSet(20, 1, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" 第3次时间戳："+atomicStampedReference.getStamp()+" 值为："+atomicStampedReference.getReference());

        },"t2").start();
    }
}
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控制台

t1 第1次时间戳：1 值为：1
t2 第1次时间戳：1 值为：1
t2 第2次时间戳：2 值为：20
t2 第3次时间戳：3 值为：1
t1 CAS是否成功：false
t1 当前最新时间戳：3 最新值为：1
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