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Java并发必知必会第三弹：用积木讲解ABA原理
maxh718
发布于 2023-1-3 15:38
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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： 第一步到第五步，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。
本文转载自公众号：悟空聊架构
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已于2023-1-3 15:38:51修改
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