java ABA问题影响 java解决aba问题类

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智能开发先锋 2023-08-25 22:46:26

文章标签 java ABA问题影响 java Pair System 版本号 文章分类 Java 后端开发

文章目录

前言
一、ABA业务场景
二、如何解决ABA问题？
二、总结

前言

我们常用AtomicLong 表示车票数量 tickets，假设原始票数 tickets = 100，有一个线程A进行卖票，另一个线程B能增加票数，也能减少票数。当线程A进行卖票的时候，线程B增加10张票，又减少10张票，引起ABA问题，那么这个ABA问题对线程A有没有影响？如果有影响，会产生哪方面的线程安全问题（原子性、可见性、有序性）？如果没有影响，为什么没影响，不是说CAS会引起ABA问题吗，为什么这种场景不需要考虑ABA问题带来的影响。
前面的文章我们已经介绍了CAS原理，这篇文章告诉我们什么业务场景下才要考虑CAS导致的ABA问题，并且如何解决ABA问题。

一、ABA业务场景

// OPEN_OR_CLOSE 表示保存高考卷的保险柜开关，false表示close， true 表示 open，考虑下面的业务场景，
// 高考卷的保险柜，有且仅有两人有打开的权限。根据保密要求，人越少越好。当然，有且仅有一个人有权限，保密性更高，但是如果这人发生意外，就没人能打开保险柜
// 所以选两个人既能照顾到保密性要求，又能减少突发事件的影响。
// 要求 2022-06-07 06:00:00 后，两个线程竞争去开保险柜，有且只有一人能打开，打开保险柜的人负责护送试题。（不考虑 synchronized 的实现方式）
// 假设这样的一种场景，张三、李四竞争开柜的过程中，张三使手段让李四在开柜前，卡一下，确保自己能先开柜，然后拍照，获取试题，最后关上柜门
// 这个时候李四来开柜门，发现门的状态和教育部说的状态一样，都是close，然后李四拿走试题，张三过来说“李四啊，这次送试卷的任务就只能麻烦你了。”
// 然后张三转手卖出试题，就算出了事情，教育厅也只能查李四。

针对上面场景，这里先使用 AtomicBoolean 去实现，然后引出ABA问题。

public class AtomicBooleanExample {

    private static AtomicBoolean OPEN_OR_CLOSE = new AtomicBoolean(false);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        boolean expect = OPEN_OR_CLOSE.get();
        boolean update = true;
        Thread zhangsan = new Thread(() -> {
            boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expect, update);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开柜门：" + isOpen);
            // 省略 偷试题的操作
            boolean isClose = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(OPEN_OR_CLOSE.get(), expect);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "关柜门：" + isClose);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "偷题是否成功" + (isOpen && isClose));
        }, "zhangsan");

        Thread lisi = new Thread(() -> {
            try {
                // 张三使手段，确保自己先执行完，真实场景可能用其它的手段
                zhangsan.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打开之前门状态为：" + OPEN_OR_CLOSE.get());
            boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expect, update);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打开之后门状态为：" + OPEN_OR_CLOSE.get() + ", " + Thread.currentThread().getName() + "开柜门是否成功：" + isOpen);
        }, "lisi");

        zhangsan.start();
        lisi.start();
    }
}

java ABA问题影响 java解决aba问题类_java

从结果可以看到，张三做了一次开关门操作（ABA操作）偷取了试题，然后李四顺利的打开保险柜，李四护送试题的同时，张三会卖出试题。显然，这时候使用AtomicBoolean 引起的ABA问题就需要我们去解决，因为我们关心保险柜门被打开的次数。保险柜门必须只能被打开一次。所以，我们需要记录保险柜门被操作的次数。Doug Lea 早就为JAVA 设计了AtomicStampedReference类以解决CAS的ABA问题。AtomicStampedReference的CAS操作是带有版本号的操作。

二、如何解决ABA问题？

两种解决方法：
（1）AtomicStampedReference 类：版本号原子引用，理解原子引用＋新增一种机制，那就是修改版本号(类似时间戳)
用AtomicStampedReference 编写上面的程序。

public class AtomicStampedReferenceExample {

    private static AtomicStampedReference<Boolean> OPEN_OR_CLOSE = new AtomicStampedReference<>(false, 0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        boolean expectedReference = OPEN_OR_CLOSE.getReference();
        boolean newReference = true;
        int expectedStamp = OPEN_OR_CLOSE.getStamp();

        Thread zhangsan = new Thread(() -> {
            boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expectedReference, newReference, expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开柜门：" + isOpen);
            // 省略 偷试题的操作
            boolean isClose = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(newReference, expectedReference, OPEN_OR_CLOSE.getStamp(), OPEN_OR_CLOSE.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "关柜门：" + isClose);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "偷题是否成功" + (isOpen && isClose));
        }, "zhangsan");

        Thread lisi = new Thread(() -> {
            try {
                // 张三使手段，确保自己先执行完，真实场景可能用其它的手段
                zhangsan.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打开之前门状态为：" + OPEN_OR_CLOSE.getReference());
            boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expectedReference, newReference, expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打开之后门状态为：" + OPEN_OR_CLOSE.getReference() + ", "
                    + Thread.currentThread().getName() + "开柜门是否成功：" + isOpen);
        }, "lisi");

        // 当然这个地方最好用 发令枪做，同时起跑
        zhangsan.start();
        lisi.start();
    }

}

java ABA问题影响 java解决aba问题类_System_02

控制台输出 “lisi打开之前门状态为：false”，但是李四开柜门没有成功！！！因为一开始的 expectedStamp 是0，被张三操作两次后变成2，李四去开柜门的时候，拿着0的版本号去开，compareAndSet 发现版本号不一致，这个开门的操作就会失败。

接下来我们结合源码来看下AtomicStampedReference 是怎样一个实现机制。

先看下AtomicStampedReference类的构造函数：

/**
     * Creates a new {@code AtomicStampedReference} with the given
     * initial values.
     *
     * @param initialRef the initial reference
     * @param initialStamp the initial stamp
     */
    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }

可以发现构造函数中调用Pair的of方法，那么Pair是什么对象呢？我们继续看Pair的源码

private static class Pair<T> {
        //传递的泛型对象
        final T reference;
        //版本戳
        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);
        }
    }

    private volatile Pair<V> pair;

pair是AtomicStampedReference类的成员变量，被关键字volatile修饰。
上面例子中new一个AtomicStampedReference对象时，其实就是给成员变量pair的构造函数属性赋值，此时reference为false，stamp为0。后面的compareAndSet方法会应用这个成员变量。
我们接着看compareAndSet这个方法是如何标记版本戳，从而解决ABA问题

/**
     * Atomically sets the value of both the reference and stamp
     * to the given update values if the
     * current reference is {@code ==} to the expected reference
     * and the current stamp is equal to the expected stamp.
     *
     * @param expectedReference the expected value of the reference //
     * @param newReference the new value for the reference
     * @param expectedStamp the expected value of the stamp
     * @param newStamp the new value for the stamp
     * @return {@code true} if successful
     */
      //expectedReference表示我们传递的预期值
			//newReference表示将要更改的新值
			//expectedStamp表示传递的预期版本戳
			//newStamp表示将要更改的版本戳的新值。
    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)));
    }

分解return后的代码有三大逻辑：第一个逻辑&&(第二个逻辑 || 第三个逻辑)
第一个逻辑：预期值（expectedReference）等于pair中的值（reference ），并且预期版本戳（expectedStamp ）等于pair中的版本戳（stamp），如果都满足，才能继续往下判断，否则直接返回false。

expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp

第二个逻辑：更改的新值（newReference）等于pair中的值（reference ），并且更改的版本戳的新值（newStamp）等于pair中的版本戳（stamp），如果都满足，就不在执行第三个逻辑了，如果为false，则继续往下执行第三个逻辑

newReference == current.reference && newStamp == current.stamp

第三个逻辑：CAS逻辑

casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))

如果预期值和预期版本戳与pair中的值和版本戳相等，但是更改的新值和更改的版本戳与pair中的值和版本戳不相等，此时需要进行CAS更新了。
然后我们再回顾下之前CAS包含的三个操作：
1、变量内存地址，V表示
2、旧的预期值，A表示
3、准备设置的新值，B表示
上面的预期值（expectedReference）、预期版本戳（expectedStamp ）就相当旧的预期值（A），pair的属性值（reference、stamp）就相当于变量内存地址（V），更改的新值（newReference）、更改的版本戳的新值（newStamp）就相当于准备设置的新值（B）。到这里是不是看出什么了，没错，CAS的三个操作就体现在这三大逻辑里，只有当V等于A时，才会用B去更新V的值（通过Pair的of方法去更新），此时需要进行CAS更新（通过casPair方法去更新），否则就不会执行更新操作。
那么casPair是怎么实现呢？让我们继续看源码：

private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

发现又涉及到底层Unsafe类，compareAndSwapObject是一个native方法，也就是说再往下走就是C语言代码。这里就不继续深入研究了，有兴趣的同学可以通过openjdk继续往下研究底层C源码，会发现CAS真正实现机制由操作系统的汇编指令完成的。
理解完源码后让我们结合例子分析为什么李四开柜门没有成功。我们先看下李四的开柜代码，因为李四拿的是一开始的expectedStamp版本号，那个时候是0，但是被张三两次操作后变成了2，此时就不满足compareAndSet中return的等式：expectedStamp（0） == current.stamp（被张三操作了变成了2），所以最终不会执行casPair方法，也就是执行CAS更新。

boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expectedReference, newReference, expectedStamp, expectedStamp + 1);

（2）AtomicMarkableReference 类
用AtomicMarkableReference 编写上面的程序。

public class AtomicMarkableReferenceExample {
    private static AtomicMarkableReference<Boolean> OPEN_OR_CLOSE = new AtomicMarkableReference<>(false, false);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        boolean expectedReference = OPEN_OR_CLOSE.getReference();
        boolean newReference = true;
        boolean expectedMark = OPEN_OR_CLOSE.isMarked();

        Thread zhangsan = new Thread(() -> {
            boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expectedReference, newReference, expectedMark, true);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开柜门：" + isOpen);
            // 省略 偷试题的操作
            boolean isClose = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(newReference, expectedReference, OPEN_OR_CLOSE.isMarked(), true);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "关柜门：" + isClose);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "偷题是否成功" + (isOpen && isClose));
        }, "zhangsan");

        Thread lisi = new Thread(() -> {
            try {
                // 张三使手段，确保自己先执行完，真实场景可能用其它的手段
                zhangsan.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打开之前门状态为：" + OPEN_OR_CLOSE.getReference());
            boolean isOpen = OPEN_OR_CLOSE.compareAndSet(expectedReference, newReference, expectedMark, true);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "打开之后门状态为：" + OPEN_OR_CLOSE.getReference() + ", "
                    + Thread.currentThread().getName() + "开柜门是否成功：" + isOpen);
        }, "lisi");

        // 当然这个地方最好用 发令枪做，同时起跑
        zhangsan.start();
        lisi.start();
    }
}

java ABA问题影响 java解决aba问题类_System_03

执行结果与AtomicStampedReference一样，控制台输出 “lisi打开之前门状态为：false”，但是李四开柜门没有成功！！！因为一开始的 expectedMark 是false，但实际被张三操作过两次，此时的expectedMark 状态已经是true，李四再去开柜门，发现expectedMark不一致，这个开门的操作就会失败。

接下来我们结合源码来看下AtomicMarkableReference 是怎样一个实现机制。

先看下AtomicMarkableReference 类的构造函数：

/**
     * Creates a new {@code AtomicMarkableReference} with the given
     * initial values.
     *
     * @param initialRef the initial reference
     * @param initialMark the initial mark
     */
    public AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialMark);
    }

可以发现构造函数中调用Pair的of方法，跟AtomicStampedReference实现基本一样，只不过把int类型标记改成了boolean类型标记，我们继续看Pair的源码

private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final boolean mark;
        private Pair(T reference, boolean mark) {
            this.reference = reference;
            this.mark = mark;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) {
            return new Pair<T>(reference, mark);
        }
    }

    private volatile Pair<V> pair;

发现还是跟AtomicStampedReference实现基本一样，还是int类型标记变成了boolean类型标记，让我们继续看AtomicMarkableReference的compareAndSet方法是否有什么不一样的地方

/**
     * Atomically sets the value of both the reference and mark
     * to the given update values if the
     * current reference is {@code ==} to the expected reference
     * and the current mark is equal to the expected mark.
     *
     * @param expectedReference the expected value of the reference
     * @param newReference the new value for the reference
     * @param expectedMark the expected value of the mark
     * @param newMark the new value for the mark
     * @return {@code true} if successful
     */
      //expectedReference表示我们传递的预期值
			//newReference表示将要更改的新值
			//expectedStamp表示传递的预期boolean类型标记
			//newStamp表示将要更改的boolean类型标记的新值
    public boolean compareAndSet(V       expectedReference,
                                 V       newReference,
                                 boolean expectedMark,
                                 boolean newMark) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedMark == current.mark &&
            ((newReference == current.reference &&
              newMark == current.mark) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newMark)));
    }

上面的源码发现还是int类型标记变成了boolean类型标记，从这里可以看出AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference他们的实现原理是相同的，那么他们有什么区别呢？区别如下：
AtomicMarkableReference 利用一个boolean类型的标记来记录，只能记录它改变过，不能记录改变的次数；
AtomicStampedReference 利用一个int类型的标记来记录，它能够记录改变的次数。

除此之外，ABA还会导致整体数据错误，比如经典的链表换链头的例子，也是ABA 问题，但是它是链的数据变化了，其实不是针对次数，而是针对链中数据。简单说明下现象。
有一个单向链表实现的堆栈，栈顶为A,这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：head.compareAndSet(A,B)；在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再push D、C、A。而对象B此时处于游离状态：此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B，但实际上B.next为null，其中堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，平白无故就把C、D丢掉了。

二、总结

在学习CAS原理的过程中，我看了一些视频和一些博客，都是说CAS原理是什么，会带来ABA问题，ABA问题如何解决。但是都没说清楚，到底什么情况下要解决CAS导致的ABA问题。就好比师傅教你一招降龙十八掌对付坏人（ABA问题的解决方案），却没告诉你什么样的坏人（什么情况需要考虑解决ABA问题），你使出降龙十八掌才有效。
如果业务只关心Atomic系列类的值，不关心值的变化次数（ABA会增加两次操作），那么CAS导致的ABA问题就无需考虑，例如卖票问题，你只关心总票数，不关心总票数波动的次数——别人退票后的票数增加或者其他人买票后票数减少。反之，如果业务关心CAS的操作次数，例如本文的保险柜开关次数，就需要引入版本号解决ABA问题。
某个对象，在某个状态只能被操作一次，即针对数值变化次数有要求，不是针对数值。

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