什么是ABA問題？Java里面的原生解決方案是什么？原理是什么？

作者：馮冬冬 2021-02-02 18:02:09

AtomicStampedReference是一個(gè)帶有時(shí)間戳的對(duì)象引用，能很好的解決CAS機(jī)制中的ABA問題，這篇文章將通過案例對(duì)其介紹分析。

一、ABA問題

ABA問題是CAS機(jī)制中出現(xiàn)的一個(gè)問題，他的描述是這樣的。我們直接畫一張圖來演示，

什么意思呢?就是說一個(gè)線程把數(shù)據(jù)A變?yōu)榱薆，然后又重新變成了A。此時(shí)另外一個(gè)線程讀取的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)A沒有變化，就誤以為是原來的那個(gè)A。這就是有名的ABA問題。ABA問題會(huì)帶來什么后果呢?我們舉個(gè)例子。

一個(gè)小偷，把別人家的錢偷了之后又還了回來，還是原來的錢嗎,ABA問題也一樣，如果不好好解決就會(huì)帶來大量的問題。最常見的就是資金問題，也就是別人如果挪用了你的錢，在你發(fā)現(xiàn)之前又還了回來。但是別人卻已經(jīng)觸犯了法律。

如何去解決這個(gè)ABA問題呢，就是使用今天所說的AtomicStampedReference。

二、AtomicStampedReference

1、問題解決

我們先給出一個(gè)ABA的例子，對(duì)ABA問題進(jìn)行場(chǎng)景重現(xiàn)。

public class AtomicTest { 
 private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(10); 
 public static void main(String[] args) { 
  new Thread(() -> { 
   index.compareAndSet(10, 11); 
   index.compareAndSet(11, 10); 
   System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ 
     "：10->11->10"); 
  },"張三").start(); 
   
  new Thread(() -> { 
   try { 
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
    boolean isSuccess = index.compareAndSet(10, 12); 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ 
      "：index是預(yù)期的10嘛，"+isSuccess 
      +"   設(shè)置的新值是："+index.get()); 
   } catch (InterruptedException e) { 
    e.printStackTrace(); 
   } 
  },"李四").start(); 
 } 
}

在上面的代碼中，我們使用張三線程，對(duì)index10->11->10的變化，然后李四線程讀取index觀察是否有變化，并設(shè)置新值。運(yùn)行一下看看結(jié)果：

這個(gè)案例重現(xiàn)了ABA的問題場(chǎng)景，下面我們看如何使用AtomicStampedReference解決這個(gè)問題的。

public class AtomicTest2 { 
 private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(10); 
 static AtomicStampedReference<Integer> stampRef  
       = new AtomicStampedReference(10, 1); 
 public static void main(String[] args) { 
  new Thread(() -> { 
   int stamp = stampRef.getStamp(); 
   System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
     + " 第1次版本號(hào)： " + stamp); 
   stampRef.compareAndSet(10, 11,stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1); 
   System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
     + " 第2次版本號(hào)： " + stampRef.getStamp()); 
   stampRef.compareAndSet(11, 10,stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1); 
   System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
     + " 第3次版本號(hào)： " + stampRef.getStamp()); 
  },"張三").start(); 
   
  new Thread(() -> { 
   try { 
    int stamp = stampRef.getStamp(); 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
      + " 第1次版本號(hào)： " + stamp); 
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
    boolean isSuccess =stampRef.compareAndSet(10, 12, 
      stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1); 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
      + " 修改是否成功： "+ isSuccess+" 當(dāng)前版本 ：" + stampRef.getStamp()); 
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
      + " 當(dāng)前實(shí)際值： " + stampRef.getReference()); 
   } catch (InterruptedException e) { 
    e.printStackTrace(); 
   } 
  },"李四").start(); 
 } 
}

上面的代碼我們?cè)賮矸治鲆幌拢覀儠?huì)發(fā)現(xiàn)AtomicStampedReference里面增加了一個(gè)時(shí)間戳，也就是說每一次修改只需要設(shè)置不同的版本好即可。我們先運(yùn)行一邊看看：

這里使用的是AtomicStampedReference的compareAndSet函數(shù)，這里面有四個(gè)參數(shù)：

compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)。

(1)第一個(gè)參數(shù)expectedReference：表示預(yù)期值。

(2)第二個(gè)參數(shù)newReference：表示要更新的值。

(3)第三個(gè)參數(shù)expectedStamp：表示預(yù)期的時(shí)間戳。

(4)第四個(gè)參數(shù)newStamp：表示要更新的時(shí)間戳。

這個(gè)compareAndSet方法到底是如何實(shí)現(xiàn)的，我們深入到源碼中看看。

2、源碼分析

public boolean compareAndSet(V   expectedReference, 
                                V   newReference, 
                                int expectedStamp, 
                                int newStamp) { 
       Pair<V> current = pair; 
       return 
           expectedReference == current.reference && 
           expectedStamp == current.stamp && 
           ((newReference == current.reference && 
             newStamp == current.stamp) || 
            casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); 
   }

剛剛這四個(gè)參數(shù)的意思已經(jīng)說了，我們主要關(guān)注的就是實(shí)現(xiàn)，首先我們看到的就是這個(gè)Pair，因此想要弄清楚，我們?cè)倏纯催@個(gè)Pair是什么，

private static class Pair<T> { 
     final T reference; 
     final int stamp; 
     private Pair(T reference, int stamp) { 
         this.reference = reference; 
         this.stamp = stamp; 
     } 
     static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) { 
         return new Pair<T>(reference, stamp); 
     } 
 }

在這里我們會(huì)發(fā)現(xiàn)Pair里面只是包存了值reference和時(shí)間戳stamp。

在compareAndSet方法中最后還調(diào)用了casPair方法，從名字就可以看到，主要是使用CAS機(jī)制更新新的值reference和時(shí)間戳stamp。我們可以進(jìn)入這個(gè)方法中看看。

//底層調(diào)用的是UNSAFE的compareAndSwapObject方法 
 
 private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) { 
     return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val); 
 }

三、總結(jié)

其實(shí)除了AtomicStampedReference類，還有一個(gè)原子類也可以解決，就是AtomicMarkableReference，它不是維護(hù)一個(gè)版本號(hào)，而是維護(hù)一個(gè)boolean類型的標(biāo)記，用法沒有AtomicStampedReference靈活。因此也只是在特定的場(chǎng)景下使用。

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