原子类的ABA问题

2023-12-17 11:06:33

原子类AtomicInteger的ABA问题

连环套路

从AtomicInteger引出下面的问题

CAS -> Unsafe -> CAS底层思想 -> ABA -> 原子引用更新 -> 如何规避ABA问题

ABA问题是什么

狸猫换太子

假设现在有两个线程，分别是T1 和 T2，然后T1执行某个操作的时间为10秒，T2执行某个时间的操作是2秒，最开始AB两个线程，分别从主内存中获取A值，但是因为B的执行速度更快，他先把A的值改成B，然后在修改成A，然后执行完毕，T1线程在10秒后，执行完毕，判断内存中的值为A，并且和自己预期的值一样，它就认为没有人更改了主内存中的值，就快乐的修改成B，但是实际上可能中间经历了 ABCDEFA 这个变换，也就是中间的值经历了狸猫换太子。

所以ABA问题就是，在进行获取主内存值的时候，该内存值在我们写入主内存的时候，已经被修改了N次，但是最终又改成原来的值了

CAS导致ABA问题

CAS算法实现了一个重要的前提，需要取出内存中某时刻的数据，并在当下时刻比较并替换，那么这个时间差会导致数据的变化。

比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另外一个线程two也从内存中取出A，并且线程two进行了一些操作将值变成了B，然后线程two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后线程one操作成功

尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的

ABA问题

CAS只管开头和结尾，也就是头和尾是一样，那就修改成功，中间的这个过程，可能会被人修改过

原子引用

原子引用其实和原子包装类是差不多的概念，就是将一个java类，用原子引用类进行包装起来，那么这个类就具备了原子性

/**
 * 原子类引用
 */
@Data
@AllArgsConstructor
class User {
    String userName;
    int age;
}
public class AtomicReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {

        User aaa = new User("aaa", 20);
        User bbb = new User("bbb", 30);

        // 创建原子引用包装类
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        // 现在主物理内存的共享变量，为aaa
        atomicReference.set(aaa);

        // 比较并交换，如果现在主物理内存的值为aaa，那么交换成bbb
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(aaa, bbb) + "\t " + atomicReference.get().toString());
        // 比较并交换，现在主物理内存的值是bbb了，但是预期为aaa，因此交换失败
        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(aaa, bbb) + "\t " + atomicReference.get().toString());
    }
}

基于原子引用的ABA问题

我们首先创建了两个线程，然后T1线程，执行一次ABA的操作，T2线程在一秒后修改主内存的值

/**
 * 基于CAS引出ABA问题
 */
public class ABADemo {

    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<Integer>(100);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            // 把100 改成 127 然后在改成100，也就是ABA
            atomicReference.compareAndSet(100, 127);
            //特别强调在AtomicReference(Integer)中value超出-128~127,会生成一个新的对象而造成无法修改
            //但是在AtomicInteger中则不会存在这样的问题
            atomicReference.compareAndSet(127, 100);
        },"t1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                // 睡眠一秒，保证t1线程，完成了ABA操作
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 把100 改成 127 然后在改成100，也就是ABA
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2021)+"\t"+atomicReference.get());
        },"t2").start();
    }
}

我们发现，它能够成功的修改，这就是ABA问题

解决ABA问题

新增一种机制，也就是修改版本号，类似于时间戳的概念

T1： 100 1 2020 2

T2： 100 1 127 2 100 3

如果T1修改的时候，版本号为2，落后于现在的版本号3，所以要重新获取最新值，这里就提出了一个使用时间戳版本号，来解决ABA问题的思路

AtomicStampedReference

时间戳原子引用，来这里应用于版本号的更新，也就是每次更新的时候，需要比较期望值和当前值，以及期望版本号和当前版本号

/**
 * 基于CAS引出ABA问题并采用AtomicStampedReference解决
 */
public class ABADemo {

    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<Integer>(100);

    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("============以下是ABA问题的产生==========");

        new Thread(() -> {
            // 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
            atomicReference.compareAndSet(100, 127);
            atomicReference.compareAndSet(127, 100);
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                // 睡眠一秒，保证t1线程，完成了ABA操作
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2020) + "\t" + atomicReference.get());

        }, "t2").start();

        //main线程和gc线程之外如果还有线程就处于等待
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("============以下是ABA问题的解决==========");

        new Thread(() -> {

            // 获取版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);

            // 暂停t3一秒钟
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            // 传入4个值，期望值，更新值，期望版本号，更新版本号
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 127, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp()+1);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第二次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());

            atomicStampedReference.compareAndSet(127, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp()+1);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第三次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());

        }, "t3").start();

        new Thread(() -> {

            // 获取版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);

            // 暂停t4 3秒钟，保证t3线程也进行一次ABA问题
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 2020, stamp, stamp+1);

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 修改成功否：" + result + "\t 当前最新实际版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());

            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 当前实际最新值" + atomicStampedReference.getReference());


        }, "t4").start();
    }
}

运行结果为：

我们能够发现，线程t3，在进行ABA操作后，版本号变更成了3，而线程t4在进行操作的时候，就出现操作失败了，因为版本号和当初拿到的不一样

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