文章目录
- ABA问题
- 1.什么是ABA问题？
- 2.ABA问题解决方案
- 2.1.使用AtomicStampedReference解决ABA问题
- 2.2.使用AtomicMarkableReference解决ABA问题
ABA问题
因为CAS操作的原子性能高，在JUC中广泛被应用，但是如果使用的不合理，CAS操作就会存在ABA问题！
1.什么是ABA问题？
ABA问题是指在并发编程中，由于CAS（比较并交换）操作的特性，可能出现的一种问题。CAS是一种乐观锁机制，用于实现多线程环境下的原子操作。它通常包含三个参数：期望值、更新值和当前值。CAS操作会比较当前值和期望值，如果相等，则将当前值更新为新值，否则不进行任何操作。
CAS操作的局限性导致了ABA问题的出现。具体而言，ABA问题通常在以下情况下出现：
- 并发场景下的共享变量修改：多个线程同时对一个共享变量进行修改和操作。
- CAS操作的原子性：CAS操作只能检查共享变量当前的值是否和预期值相等，并在相等时才进行更新操作。
- 中间值的变化：如果在CAS操作执行过程中，共享变量的值经历了从预期值A到其他值B，再回到A的变化，那么CAS操作可能会错误地认为共享变量的值没有发生变化。
举例来说，假设一个共享变量的初始值为A，在某个线程执行CAS操作之前，另一个线程将该变量的值从A修改为B，然后再将其修改回A。如果执行CAS操作的线程只关注共享变量的当前值是否和预期值相等，而不考虑中间值的变化，那么CAS操作会错误地认为共享变量的值没有发生变化，导致出现问题。
因此，ABA问题的产生是由于CAS操作只关注共享变量的当前值，而忽略了中间值的变化。这种问题可能会导致并发控制失效，数据不一致等后果，因此需要针对性地设计解决方案来解决ABA问题。
下面通过一个案例，来了解一下ABA问题
假设现在有一个栈，该栈是采用单链表进行实现的，元素的插入和删除都发生在单链表的头部。
假设，线程1 和线程2 是两在堆栈上并发操作的线程，其中线程1计划从head位置通过CAS操作进行元素“B”的弹出操作
此时线程1刚好启动CAS执行，但是还没有开始执行，线程2抢在线程1前面弹出了元素“B”，并且压入了一个新的元素“C”，再压入了“B”,此时通过CAS操作后 head位置还是“B”
这个时候切换到线程1执行，通过CAS发现线程2的位置还是 “B”操作成功！将“B”弹出并压入新的元素“B”,尽管线程1操作成功，但是这样会存在一个很大问题
1.已知 栈顶的元素为 B，这个时候线程A知道 B.next = NULL , 希望使用CAS操作，CAS(B,A)将栈顶的元素替换成A，从而将B元素从堆栈中弹出
2.但是由于线程1 和线程2是并发执行的，CPU时间片不巧分配给了线程2，线程2弹出了B，A元素，然后压入了C，B，最终线程又将head的位置变成了B
3.接下来线程1从新获得CPU时间片，执行CAS(B,A)，操作成功，将B弹出压入了但是此时，链表就断开了，C元素不在存储于堆栈中了，被丢掉了！
这就是ABA引发的不正常的状态
2.ABA问题解决方案
很多乐观锁的实现版本都是使用版本号（version）的方式来解决ABA问题。每次对共享变量进行修改时，版本号都会相应地递增。这样，在执行CAS操作时，除了比较共享变量的值外，还会比较版本号，从而更精确地判断共享变量是否发生了变化。
2.1.使用AtomicStampedReference解决ABA问题
AtomicStampedReference 是 Java 并发包中提供的一个工具类，用于解决 CAS 操作中的 ABA 问题。与 AtomicReference 不同，AtomicStampedReference 在每个引用值的基础上都附加了一个整型的标记（stamp），用来记录引用值的版本号。这个版本号在每次更新引用值时会自动增加，因此可以用来检测引用值是否发生过变化，从而避免 ABA 问题。
具体来说，AtomicStampedReference 的主要特性包括：
- 原子性操作：
AtomicStampedReference提供了一系列原子性的操作方法，包括compareAndSet、get、set等，确保多线程环境下的安全访问。 - 版本号标记： 每个引用值都与一个整型的版本号相关联，用于标记引用值的版本信息。版本号会在每次更新引用值时自动增加，从而在CAS操作中额外检测引用值的变化。
- 解决ABA问题： 通过版本号标记，
AtomicStampedReference可以检测到引用值的变化过程，即使引用值发生了从 A 到 B 再到 A 的变化，只要版本号不同，CAS操作就会失败，从而避免了ABA问题。
使用 AtomicStampedReference 解决ABA问题的一般步骤如下：
- 初始化
AtomicStampedReference，并指定初始的引用值和版本号。 - 在每次对共享变量进行修改时，使用
AtomicStampedReference的原子性方法，同时更新引用值和版本号。 - 在CAS操作中，除了比较共享变量的值外，还要比较版本号是否与预期版本号相同。只有在共享变量的值和版本号都与预期值相同时，才执行更新操作。
通过这种方式，AtomicStampedReference 可以有效地解决CAS操作中的ABA问题，提高了并发环境下的安全性和可靠性。
@Test
@DisplayName("使用AtomicStampedReference解决ABA问题")
public void testAtomicStampedReference() throws InterruptedException {
// 初始化 AtomicStampedReference，初始值为初始对象和版本号为0
AtomicStampedReference<String> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<>("初始值", 0);
// 创建两个线程，分别进行CAS操作
Thread thread1 = new Thread(() -> {
// 获取当前版本号
int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
// 获取当前引用值
String value = atomicStampedRef.getReference();
log.info("线程1开始执行，当前版本号：{}，当前值：{}", stamp, value);
// 模拟线程1执行耗时操作
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 尝试更新引用值和版本号
boolean success = atomicStampedRef.compareAndSet(value, "新值1", stamp, stamp + 1);
if (success) {
log.info("线程1更新成功，新版本号：{}", stamp + 1);
} else {
log.error("线程1更新失败，当前值已经被其他线程修改");
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
// 获取当前版本号
int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
// 获取当前引用值
String value = atomicStampedRef.getReference();
log.info("线程2开始执行，当前版本号：{}，当前值：{}", stamp, value);
// 尝试更新引用值和版本号
boolean success = atomicStampedRef.compareAndSet(value, "新值2", stamp, stamp + 1);
if (success) {
log.info("线程2更新成功，新版本号：{}", stamp + 1);
} else {
log.error("线程2更新失败，当前值已经被其他线程修改");
}
});
// 启动线程
thread1.start();
thread2.start();
// 等待线程执行完成
thread1.join();
thread2.join();
// 输出最终结果
log.info("最终值：{}", atomicStampedRef.getReference());
}
2.2.使用AtomicMarkableReference解决ABA问题
AtomicMarkableReference 是 AtomicStampedReference 简化版本，他不关心修改过几次，他只关心有没有被修改过。
-
AtomicMarkableReference是 Java 中提供的一种原子引用类，用于解决 CAS 操作中的 ABA 问题。与AtomicStampedReference类似，AtomicMarkableReference也使用了版本号（mark）的方式来确保 CAS 操作的正确性。特性：
AtomicMarkableReference内部包含了一个引用对象和一个标记（mark），它们共同构成了一个原子更新单元。- 标记（mark）是一个布尔值，用于辅助 CAS 操作，标记位的变化表明了引用对象的状态变化。
- 提供了
compareAndSet方法来进行原子更新，确保引用对象和标记的更新是原子性的。 - 使用
AtomicMarkableReference可以避免 CAS 操作中的 ABA 问题，从而更安全地进行并发编程。
使用过程：
- 创建
AtomicMarkableReference对象时，需要传入初始引用对象和初始标记。 - 使用
get方法可以获取当前的引用对象和标记。 - 使用
compareAndSet方法进行原子更新，需要传入旧的引用对象、新的引用对象、旧的标记和新的标记，只有在旧的引用对象和标记与当前值相同时，才会更新为新的值。 - 提供了一种线程安全的机制，可以避免 CAS 操作中的 ABA 问题，确保并发操作的安全性。
@Test
@DisplayName("测试使用AtomicMarkableReference解决ABA问题")
public void testAtomicMarkableReference() throws InterruptedException {
// 初始化 AtomicMarkableReference，初始值为初始对象和标记为false
AtomicMarkableReference<String> atomicMarkableRef = new AtomicMarkableReference<>("初始值", false);
// 创建两个线程，分别进行CAS操作
Thread thread1 = new Thread(() -> {
// 获取当前标记
boolean[] markHolder = new boolean[1];
// 获取当前引用值
String value = atomicMarkableRef.get(markHolder);
log.info("线程1开始执行，当前标记：{}，当前值：{}", markHolder[0], value);
// 模拟线程1执行耗时操作
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 尝试更新引用值和标记
boolean success = atomicMarkableRef.compareAndSet(value, "新值1", markHolder[0], true);
if (success) {
log.info("线程1更新成功，新标记：{}", true);
} else {
log.error("线程1更新失败，当前值已经被其他线程修改");
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
// 获取当前标记
boolean[] markHolder = new boolean[1];
// 获取当前引用值
String value = atomicMarkableRef.get(markHolder);
log.info("线程2开始执行，当前标记：{}，当前值：{}", markHolder[0], value);
// 尝试更新引用值和标记
boolean success = atomicMarkableRef.compareAndSet(value, "新值2", markHolder[0], true);
if (success) {
log.info("线程2更新成功，新标记：{}", true);
} else {
log.error("线程2更新失败，当前值已经被其他线程修改");
}
});
// 启动线程
thread1.start();
thread2.start();
// 等待线程执行完成
thread1.join();
thread2.join();
// 输出最终结果
log.info("最终值：{}", atomicMarkableRef.getReference());
}
