Java基础-0x02:探究CAS引出的ABA问题

JUC

由CAS缺陷到ABA问题

谈谈什么是ABA问题：狸猫换太子

Thread0x00, Thread0x01。 0x01比0x00 用时少，同时操作主内存。由于0x01比0x00快，所以主内存中数据已经被改了。0x01再次读取内存中的值，再次修改主内存中的值。几次循环之后，0x00执行完毕，写回主内存时，主内存的值正好是期望值，然后0x00修改成功。

表面上是风平浪静的，但是在0x00执行过程中，0x01已经修改过多次。 这就叫ABA问题

ABA问题是怎么产生的

CAS会导致”ABA问题“。

CAS算法实现一个重要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，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

具体发生过程在上面引言部分已经写过，不再赘述。

尽管线程 0x00 的操作成功，但是不代表这个过程是没有问题的。

原子引用

java.util.concurrent.atomic.AtomicReference<V>

/**
 * JUC的包中给我们提供了AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等<br>
 *     被原子包装的数据结构。<br>
 *
 * 如果我们希望是一个AtomicUser,AtomicOrder,AtomicCustomer这养的类也是没有问题的<br>
 * JUC中为我们提供了AtomicReference<V>这个类
 *
 *
 * @author allwayz
 */
public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference<User> userAtomicReference = new AtomicReference<>();
        User z3 = new User("z3",22);
        User l4 = new User("l4",23);

        userAtomicReference.set(z3);
        System.out.println(
            userAtomicReference.compareAndSet(z3,l4)+
            "\t current "+userAtomicReference);

        System.out.println(
            userAtomicReference.compareAndSet(z3,l4)+
            "\t current "+userAtomicReference);
    }
}

如何解决ABA问题？

• 原子引用
• 增加一种机制：修改版本号（类似时间戳）

时间戳原子引用

/**
 * ABA问题的解决<br>
 *
 * AtomicStampedReference
 *
 * @author allwayz
 */
public class ABADemo {
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(()->{
            //模拟ABA
            atomicReference.compareAndSet(100,101);
            System.out.println("current number: " + atomicReference.get());
            atomicReference.compareAndSet(101,100);
            System.out.println("current number: " + atomicReference.get());
            System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
        },"t1").start();

        new Thread(()->{
            try {
                //暂停t2线程1秒，保证t1线程先执行
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100,101)+
                    "\t Result: " + atomicReference.get());
        },"t2").start();

        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>以下是ABA问题的解决<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<");

        /**
         * T3线程拿到一开始的版本号，然后暂停1秒中，等T4线程拿到一样的版本号，
         * 然后暂停3秒钟，确保T3线程执行一次ABA操作。
         *
         */
        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 第一次版本号："+stamp);
            try { 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1); 
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace(); 
            }

            //执行ABA操作
            atomicStampedReference.compareAndSet(100,101,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
                               "\t 第二次版本号："+atomicStampedReference.getStamp());

            atomicStampedReference.compareAndSet(101,100,
                    atomicStampedReference.getStamp(),
                    atomicStampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
                               "\t 第三次版本号："+atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>");
        },"t3").start();

        new Thread(()->{
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 第一次版本号："+stamp);
            try { 
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3); 
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace(); 
            }

            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100,2019,stamp,stamp+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
                    "\t 修改结果： "+result+
                    "\n 实际版本号："+atomicStampedReference.getStamp()+
                    "\n 实际最新值："+atomicStampedReference.getReference());
        },"t4").start();

    }
}

引入了原子时间戳之后，线程执行中共享变量被修改的问题就不会逃过检测，也就保证了线程安全。