Java并发必知必会第三弹：用积木讲解ABA原理

Java并发必知必会第三弹：用积木讲解ABA原理

可落地的 Spring Cloud项目：PassJava

本篇主要内容如下

一、背景

上一节我们讲了程序员深夜惨遭老婆鄙视，原因竟是CAS原理太简单？，留了一个彩蛋给大家，ABA问题是怎么出现的，为什么不是AAB拖拉机，AAA金花，4个A炸弹 ？这一篇我们再来揭开ABA的神秘面纱。

二、面试连环炮

面试的时候我们也经常遭遇面试官的连环追问：

• CAS概念？
• Unsafe类是干啥用的？
• CAS底层实现是怎么样的
• ABA问题什么场景下会出现？
• ABA有什么危害？
• 原子引用更新是啥？
• 如何避免ABA问题？

三、用积木讲解ABA问题

案例：甲看见一个三角形积木，觉得不好看，想替换成五边形，但是乙想把积木替换成四边形。（前提条件，只能被替换一次）

可能出现的过程如上图所示：

• 第一步：乙先抢到了积木，将三角形A积木替换成五角星B1
• 第二步：乙将五角星B1替换成五边形B2
• 第三步：乙将五边形B2替换成棱形B3
• 第四步：乙将棱形B3替换成六边形B4
• 第五步：乙将六边形B4替换成三角形A
• 第六步：甲看到积木还是三角形，认为乙没有替换，甲可以进行替换
• 第七步：甲将三角形V替换成了五边形B

讲解：第一步道第五步，都是乙在替换，但最后还是替换成了三角形（即是不是同一个三角形），这个就是ABA，A指最开始是三角形，B指中间被替换的B1/B2/B3/B4，第二个A就是第五步中的A，中间不论经过怎么样的形状替换，最后还是变成了三角形。然后甲再将A2和A1进行形状比较，发现都是三角形，所以认为乙没有动过积木，甲可以进行替换。这个就是比较并替换（CAS）中的ABA问题。

小结：CAS只管开头和结尾，中间过程不关心，只要头尾相同，则认为可以进行修改，而中间过程很可能被其他人改过。

四、用原子引用类演示ABA问题

AtomicReference：原子引用类

• 1.首先我们需要定义一个积木类

/**
 积木类
 * @author: 悟空聊架构
 * @create: 2020-08-25
 */
class BuildingBlock {
    String shape;
    public BuildingBlock(String shape) {
        this.shape = shape;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "BuildingBlock{" + "shape='" + shape + '}';
    }
}

• 2.定义3个积木：三角形A，四边形B，五边形D

static BuildingBlock A = new BuildingBlock("三角形");
// 初始化一个积木对象B，形状为四边形
static BuildingBlock B = new BuildingBlock("四边形");
// 初始化一个积木对象D，形状为五边形
static BuildingBlock D = new BuildingBlock("五边形");

• 初始化原子引用类

static AtomicReference<BuildingBlock> atomicReference = new AtomicReference<>(A);

• 4.线程“乙”执行ABA操作

new Thread(() -> {// 初始化一个积木对象A，形状为三角形
           atomicReference.compareAndSet(A, B); // A->B
           atomicReference.compareAndSet(B, A); // B->A
        },

• 5.线程“甲”执行比较并替换

new Thread(() -> {// 初始化一个积木对象A，形状为三角形
           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();
           }
           // 可以替换成功，因为乙线程执行了A->B->A，形状没变，所以甲可以进行替换。
           System.out.println(atomicReference.compareAndSet(A, D) + "\t" + atomicReference.get()); // true	BuildingBlock{shape='五边形}
       }, "甲").start();

输出结果：true BuildingBlock{shape='五边形}

小结：当线程“乙”执行ABA之后，线程“甲”比较后，发现预期值和当前值一致，将三角形替换成了五边形。

五、那ABA到底有什么危害？

我们看到乙不管怎么进行操作，甲看到的还是三角形，那甲当成乙没有改变积木形状 又有什么问题呢？

出现的问题场景通常是带有消耗类的场景，比如库存减少，商品卖出。

1.我们想象一下生活中的这个喝水场景：

（1）一家三口人，爸爸、妈妈、儿子。

（2）一天早上6点，妈妈给儿子的水杯灌满了水（水量为A），儿子先喝了一半（水量变成B）。

（3）然后妈妈把水杯又灌满了（水量为A），等中午再喝（妈妈执行了一个ABA操作）。

（4）爸爸7点看到水杯还是满的（不知道是妈妈又灌满的），于是给儿子喝了1/3（水量变成D）

（5）那在中午之前，儿子喝了1/2+1/3= 5/6的水，这不是妈妈期望的，因为妈妈只想让儿子中午之前喝半杯水。

这个场景的ABA问题带来的后果就是本来只用喝1/2的水，结果喝了5/6的水。

2.我们再想象一下电商中的场景

（1）商品Y的库存是10（A）

（2）用户m购买了5件（B）

（3）运营人员乙补货5件（A）（乙执行了一个ABA操作）

（4）运营人员甲看到库存还是10，就认为一件也没有卖出去（不考虑交易记录），其实已经卖出去了5件。

那我们怎么解决原子引用的问题呢？

可以用加版本号的方式来解决两个A相同的问题，比如上面的积木案例，我们可以给两个三角形都打上一个版本号的标签，如A1和A2，在第六步中，形状和版本号一致甲才可以进行替换，因形状都是三角形，而版本号一个1，一个是2，所以不能进行替换。

在Java代码中，我们可以用原子时间戳引用类型：AtomicStampedReference

六、带版本号的原子引用类型

1.我们看一看这个原子类AtomicStampedReference的底层代码

比较并替换方法compareAndSet

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)));
}

expectedReference：期望值

newReference：替换值

expectedStamp：期望版本号

newStamp：替换版本号

先比较期望值expectedReference和当前值是否相等，以及期望版本号和当前版本号是否相等，如果两者都相等，则表示没有被修改过，可以进行替换。

2.如何使用AtomicStampedReference？

（1）先定义3个积木：三角形A，四边形B，五边形D

// 初始化一个积木对象A，形状为三角形
BuildingBlock A = new BuildingBlock("三角形");

// 初始化一个积木对象B，形状为四边形，乙会将三角形替换成四边形
BuildingBlock B = new BuildingBlock("四边形");

// 初始化一个积木对象B，形状为四边形，乙会将三边形替换成五边形
BuildingBlock D = new BuildingBlock("五边形");

（2）创建一个原子引用类型的实例 atomicReference

 // 传递两个值，一个是初始值，一个是初始版本号
 AtomicStampedReference<BuildingBlock> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(A, 1);

（3）创建一个线程“乙”执行ABA操作

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);
    // 暂停线程“乙”1秒钟，使线程“甲”可以获取到原子引用的版本号
    try {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    /*
    * 乙线程开始ABA替换
    * */
    // 1.比较并替换，传入4个值，期望值A，更新值B，期望版本号，更新版本号
    atomicStampedReference.compareAndSet(A, B, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第二次版本号" + atomicStampedReference.getStamp()); //乙	 第一次版本号1
    // 2.比较并替换，传入4个值，期望值B，更新值A，期望版本号，更新版本号
    atomicStampedReference.compareAndSet(B, A, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1); // 乙	 第二次版本号2
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第三次版本号" + atomicStampedReference.getStamp()); // 乙	 第三次版本号3
}, "乙").start();

1）乙先获取原子类的版本号，第一次获取到的版本号为1

2）暂停线程“乙”1秒钟，使线程“甲”可以获取到原子引用的版本号

3）比较并替换，传入4个值，期望值A，更新值B，期望版本号stamp，更新版本号stamp+1。A被替换为B，当前版本号为2

4）比较并替换，传入4个值，期望值B，更新值A，期望版本号getStamp()，更新版本号getStamp()+1。B替换为A，当前版本号为3

（4）创建一个线程“甲”执行D替换A操作

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); // 甲   第一次版本号1
     // 暂停线程“甲”3秒钟，使线程“乙”进行一次ABA替换操作
     try {
     TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
     boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(A,D,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()); // 甲     修改成功否false     当前最新实际版本号：3
     System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 当前实际最新值：" + atomicStampedReference.getReference()); // 甲     当前实际最新值：BuildingBlock{shape='三角形}

}, "甲").start();

（1）甲先获取原子类的版本号，版本号为1，因为乙线程还未执行ABA，所以甲获取到的版本号和乙获取到的版本号一致。

（2）暂停线程“甲”3秒钟，使线程“乙”进行一次ABA替换操作

（3）乙执行完ABA操作后，线程甲执行比较替换，期望为A，实际是A，版本号期望值是1，实际版本号是3

（4）虽然期望值和实际值都是A，但是版本号不一致，所以甲不能将A替换成D，这个就避免了ABA的问题。

小结： 带版本号的原子引用类可以利用CAS+版本号来比较变量是否被修改。

总结

本篇分析了ABA产生的原因，然后又列举了生活中的两个案例来分析ABA的危害。然后提出了怎么解决ABA问题：用带版本号的原子引用类AtomicStampedReference。

限于篇幅和侧重点，CAS的优化并没有涉及到，后续再倒腾这一块吧。另外AtomicStampedReference的缺点本篇本没有进行讲解，限于笔者的技术水平原因，并没有一一作答，期待后续能补上这一块的解答。

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