JAVA并发编程——CAS概念以及ABA问题

苏凌峰

1.CAS基础概念

2.CAS源码阅读(自旋锁)

3.CAS产生的ABA问题

4.如何解决ABA问题

1.CAS基础概念
CAS顾名思义,就是 Compare And Swap(比较并交换),简单一点就是说:我们想改变一个变量的值的时候,工作内存会读取现在内存中的值,然后我们对这个值进行一系列的操作之后,再将这个值更新回主存中,这个时候,我们要比较一下主存现在的值和之前读取的值,是否在操作这个变量的时间内,被其它线程更改了值,如果主存中值和之前读取的值内容相同,则交换。

我们用代码进行解释:

public class CASDemo {


    public static void main(String[] args) {
        //先设置一个原子变量,这个变量有CAS的方法 设置原值为5
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        // 比较并交换,设置期望值为5,交换值为2021
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2021) + " value is " + atomicInteger.get());
        // 此时期望值已经被改成了2021,再比较并交换,在期望值为5的情况下,会报错
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2022) + " value is " + atomicInteger.get());
    }
}

当然我们平时一般用这个类的这个方法不多,我们用的多的都是

atomicInteger.getAndIncrement();

这个方法会用cas进行策略进行自增操作,接下来我们来读一读他的源码

2.CAS底层原理(自旋锁)
atomicInteger.getAndIncrement(); 这个方法我们来点击进入

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

我们可以看到,他调用了一个unsafe类,然后传了本对象,valueOffset,和1,unsafe类我们先放一放,先解释一下valueOffset。
valueOffset是变量的内存偏移量地址,是保存这个对象的属性在内存中的位置,比如说我这个atomicInteger变量的数值是1,valueOffset就保存了1这个变量在内存中的位置。

然后我们再往unsafe类里点

   public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

看了源码,我们大概就可以明白了,传入atomicInteger(var1)对象后,通过这个对象和内存偏移量(var2) ,使用getIntVolatile方法找到这个值的位置,然后通过this.compareAndSwapInt 方法,比较并交换,如果成功就+1,如果失败就一直循环,这就是自旋锁

由于这几个类都是在unsafe类里调用的,我们现在可以看出,unsafe类的作用:

是cas的核心类,由于java方法无法访问系统底层,而要通过native方法调用,unsafe相当于一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据,unsafe类位于sum.misc包中,其内部方法操作可以像C的指针一样操作内存,因为java中cas的操作依赖于unsafe类。

3.CAS产生的ABA问题

我们先解释一下什么是ABA问题:
假设我们现在有两个线程,有一个共有变量T,线程A要把T从2改成5,需要十秒钟时间,线程B在两秒钟之内把T改成了3,又把T改回了2,虽然在A线程眼里看来,T值并未发生改变,但是T中途也是被改变过的,就是2 ->3 ->2 。
A线程毫无感知。
尽管A线程毫无感知并且操作成功,但是这并不代表程序有问题。

4.如何解决ABA问题

我们先介绍一个类:
AtomicReference 原子引用类

这个类提供了一个可以原子读写的对象,和AtomicInteger相同,不过这个类提供了一个泛型,可以指定读写的对象类型,意味着操作AtomicReference的多个线程,不会让他达到一个最终不一致的状态。他也有compareAndSet方法,用法与之前讲过的相同。

public class AtomicReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference<AtomicUser> atomicReference = new AtomicReference();

        AtomicUser user1 = new AtomicUser("小明", 15);
        AtomicUser user2 = new AtomicUser("小王", 17);

        atomicReference.set(user1);

        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1, user2));

    }

}

但是,这个类还不能解决ABA问题,所以,我们要用更高级的一个类:
AtomicStampReference 原子引用时间戳类

他在设置类的时候,还多加了一个版本号,进行双重校验:
比如之前T变量的值从 2 ->3 ->2 但是与此同时, 该变量值的版本也发生了变化 1 ->2 ->3 所以,在双重校验的时候,如果任何一个变量不一致,都会发生修改失败的现象。

我们来看一下源码:

    //需要传两个参数,一个对象变量类型,一个版本号
    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }

再看一下compareAndSet源码

//需要同时传入两个原子变量和两个版本号
    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)));
    }

以上便是笔者近期学习的内容,发现知识还是需要以教代学,会更容易形成系统,避免知识孤岛的遗忘。

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