什么是ABA问题?Java里面的原生解决方案是什么?原理是什么?

上一篇 / 下一篇  2021-02-03 09:54:48

  AtomicStampedReference是一个带有时间戳的对象引用,能很好的解决CAS机制中的ABA问题,这篇文章将通过案例对其介绍分析。
  一、ABA问题
  ABA问题是CAS机制中出现的一个问题,他的描述是这样的。我们直接画一张图来演示。
  什么意思呢?就是说一个线程把数据A变为了B,然后又重新变成了A。此时另外一个线程读取的时候,发现A没有变化,就误以为是原来的那个A。这就是有名的ABA问题。ABA问题会带来什么后果呢?我们举个例子。
  一个小偷,把别人家的钱偷了之后又还了回来,还是原来的钱吗,ABA问题也一样,如果不好好解决就会带来大量的问题。最常见的就是资金问题,也就是别人如果挪用了你的钱,在你发现之前又还了回来。但是别人却已经触犯了法律。
  如何去解决这个ABA问题呢,就是使用今天所说的AtomicStampedReference。
  二、AtomicStampedReference
  1、问题解决
  我们先给出一个ABA的例子,对ABA问题进行场景重现。
  public class AtomicTest { 
   private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(10); 
   public static void main(String[] args) { 
    new Thread(() -> { 
     index.compareAndSet(10, 11); 
     index.compareAndSet(11, 10); 
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ 
       ":10->11->10"); 
    },"张三").start(); 
     
    new Thread(() -> { 
     try { 
      TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
      boolean isSuccess = index.compareAndSet(10, 12); 
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ 
        ":index是预期的10嘛,"+isSuccess 
        +"   设置的新值是:"+index.get()); 
     } catch (InterruptedException e) { 
      e.printStackTrace(); 
     } 
    },"李四").start(); 
   } 
  } 
  在上面的代码中,我们使用张三线程,对index10->11->10的变化,然后李四线程读取index观察是否有变化,并设置新值。运行一下看看结果:
  这个案例重现了ABA的问题场景,下面我们看如何使用AtomicStampedReference解决这个问题的。
  public class AtomicTest2 { 
   private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(10); 
   static AtomicStampedReference<Integer> stampRef  
         = new AtomicStampedReference(10, 1); 
   public static void main(String[] args) { 
    new Thread(() -> { 
     int stamp = stampRef.getStamp(); 
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
       + " 第1次版本号: " + stamp); 
     stampRef.compareAndSet(10, 11,stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1); 
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
       + " 第2次版本号: " + stampRef.getStamp()); 
     stampRef.compareAndSet(11, 10,stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1); 
     System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
       + " 第3次版本号: " + stampRef.getStamp()); 
    },"张三").start(); 
     
    new Thread(() -> { 
     try { 
      int stamp = stampRef.getStamp(); 
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
        + " 第1次版本号: " + stamp); 
      TimeUnit.SECONDS.sleep(2); 
      boolean isSuccess =stampRef.compareAndSet(10, 12, 
        stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1); 
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
        + " 修改是否成功: "+ isSuccess+" 当前版本 :" + stampRef.getStamp()); 
      System.out.println(Thread.currentThread().getName()  
        + " 当前实际值: " + stampRef.getReference()); 
     } catch (InterruptedException e) { 
      e.printStackTrace(); 
     } 
    },"李四").start(); 
   } 
  } 
  上面的代码我们再来分析一下,我们会发现AtomicStampedReference里面增加了一个时间戳,也就是说每一次修改只需要设置不同的版本好即可。我们先运行一边看看:
  这里使用的是AtomicStampedReference的compareAndSet函数,这里面有四个参数:
  compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)。
  (1)第一个参数expectedReference:表示预期值。
  (2)第二个参数newReference:表示要更新的值。
  (3)第三个参数expectedStamp:表示预期的时间戳。
  (4)第四个参数newStamp:表示要更新的时间戳。
  这个compareAndSet方法到底是如何实现的,我们深入到源码中看看。
  2、源码分析
  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))); 
     } 
  刚刚这四个参数的意思已经说了,我们主要关注的就是实现,首先我们看到的就是这个Pair,因此想要弄清楚,我们再看看这个Pair是什么,
  private static class Pair<T> { 
       final T reference; 
       final int stamp; 
       private Pair(T reference, int stamp) { 
           this.reference = reference; 
           this.stamp = stamp; 
       } 
       static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) { 
           return new Pair<T>(reference, stamp); 
       } 
   } 
  在这里我们会发现Pair里面只是包存了值reference和时间戳stamp。
  在compareAndSet方法中最后还调用了casPair方法,从名字就可以看到,主要是使用CAS机制更新新的值reference和时间戳stamp。我们可以进入这个方法中看看。
  //底层调用的是UNSAFE的compareAndSwapObject方法 
   
   private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) { 
       return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val); 
   } 
  三、总结
  其实除了AtomicStampedReference类,还有一个原子类也可以解决,就是AtomicMarkableReference,它不是维护一个版本号,而是维护一个boolean类型的标记,用法没有AtomicStampedReference灵活。因此也只是在特定的场景下使用。

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  • 更新时间: 2021-11-17

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