CAS机制之ABA问题

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2022-01-15 12:59 220阅读 0赞

这篇博客主要讲解两个问题：  
1，Java当中CAS底层实现  
2，CAS的ABA问题和解决办法

## Java当中CAS底层实现 ##

首先我们来看**JDK1.7的AtomicInteger类的incrementAndGet**源码:

private volatile int value;
    public final int get() {
            return value;
    }
    public final int incrementAndGet() {
            for (;;) {
                int current = get();
                int next = current + 1;
                if (compareAndSet(current, next))
                    return next;
            }
        }

这段代码是一个无限循环，也就是CAS的自旋操作。循环体中做了3件事情：  
1，获取当前变量的值；  
2，对当前值做+1操作，得到目标值；  
3，进行CAS操作，如果成功则跳出循环，失败则重复上述操作。  
**volatile保证了获取的当前值是内存中最新的值。**

接下来看看compareAndSet方法时如何保证原子性的：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    
    static {
       try {
         valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
       } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
     }
     
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
       return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

compareAndSet方法的实现很简单，只有一行代码，这里涉及到两个重要对象，**一个是unsafe，一个是vauleOffset。**  
1，什么是unsafe呢？Java语言不像C,C++那样可以直接访问底层操作系统，但是JVM为我们提供了一个后门，这个后门就是unsafe。**unsafe为我们提供了硬件级别的原子操作。**

2，至于valueOffset对象，是通过unsafe.objectFiledOffset方法得到，所代表的是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量。**我们简单的把valueOffset理解为value变量的内存地址。**

3，上一期我们提到了CAS机制使用的3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。而unsafe的compareAndSwapInt方法参数包括了这三个基本元素：**valueOffset代表V，expect代表A，update代表B**。正式unsafe的compareAndSwapInt方法保证了Compare和Swap操作之间的原子性操作。

## ABA问题 ##

举个提款机的例子：小明有200元存款，想用提款机取100元

由于提款机硬件出了点问题，小灰的提款操作被同时提交了2次，开启了两个线程，2个线程都是获取当前值200，要更新成100。理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小明的存款只被扣一次。  
![在这里插入图片描述][20190613151517579.png]  
线程1首先执行成功，余额变为100，线程2由于某种原因被阻塞了，这个时候小明的妈妈刚好给小明汇款100元。  
![在这里插入图片描述][20190613151633665.png]  
线程2仍然阻塞，线程3执行成功，把余额从100变成200  
![在这里插入图片描述][20190613151819457.png]  
线程2恢复运行，由于阻塞之前获取的当前值是200，而此时内存地址中的值也是200，compare检测成功，执行更新操作变成了100。  
![在这里插入图片描述][20190613152052569.png]  
原本线程2应该执行失败，小明的余额应该为200，但是由于ABA问题提交成功了。

## 如何解决ABA问题呢？解决办法就是加入版本号。 ##

我们在Compare阶段**不仅要比较期望值A和地址V中的值**，我们**还要比较变量的版本号是否一致**。  
举个例子：  
假设地址V中存储着变量值A，当前版本号是01，线程1获取当前值A和版本号01，想要更新为B,但是被阻塞了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3RocXR6cQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
这个时候，内存地址V中的变量发生了多次改变，版本号提升为03，但是变量值仍然是A。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3RocXR6cQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
线程1恢复运行后进行compare，泛型当前值为A，但是版本号为03与01不相等，所以这次更新失败。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3RocXR6cQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 总结： ##

1，Java语言CAS底层如何实现？  
利用unsafe提供了原子性操作方法。  
2，什么是ABA问题？怎么解决？  
当一个值从A更新为B，又从B更新为A，不同的CAS机制会误判导致通过检测；利用版本号比较可以有效的解决ABA问题。

[20190613151517579.png]: /images/20220115/36951903868d4c098ab3a7d6131c1790.png
[20190613151633665.png]: /images/20220115/b84e2064ea224446b7570fd2f6f3a1ae.png
[20190613151819457.png]: /images/20220115/023ad94105164f3883ded0e942fa289c.png
[20190613152052569.png]: /images/20220115/29fb913edad9403195050df765343df4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3RocXR6cQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220115/82949bc1b7be451a864b5cacfbdd478d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3RocXR6cQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220115/8136e3e8142f47428915951fa7adbff3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3RocXR6cQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220115/0df751a7eb974d1dbbc3c104586131b6.png