CAS与ABA问题产生和解决

Posted 2020-11-21 androidsuperman

乐观锁和悲观锁

Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。

性能对比：
Synchronized关键字会让没有得到锁资源的线程进入blocked状态，而后在争夺到锁资源后恢复为runnable状态，这个过程中涉及到操作系统用户模式和内核模式的转换，代价比较高。

尽管Java1.6为Synchronized做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低。

CAS原理

CAS机制当中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

CAS缺点：

1. CPU开销较大，多线程反复尝试更新某一个变量的时候容易出现；
2. 不能保证代码块的原子性，只能保证变量的原子性操作；
3. ABA问题。

CAS机制：

AtomicInteger当中常用的自增方法 incrementAndGet：

public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
    }
}
private volatile int value;
public final int get() {
return value;
}

CAS的自旋。循环体当中做了三件事：
1.获取当前值。
2.当前值+1，计算出目标值。
3.进行CAS操作，如果成功则跳出循环，如果失败则重复上述步骤。

ABA问题以及解决方案：

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。 从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class ABA {
        private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
        private static AtomicStampedReference atomicStampedRef = new AtomicStampedReference(100, 0);
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
                Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                                atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                                atomicInt.compareAndSet(101, 100);
                        }
                });
                Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                                try {
                                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                                } catch (InterruptedException e) {
                                }
                                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                                System.out.println(c3); // true
                        }
                });
                intT1.start();
                intT2.start();
                intT1.join();
                intT2.join();
                Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                                try {
                                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                                } catch (InterruptedException e) {
                                }
                                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
                        }
                });
                Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
                                try {
                                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                                } catch (InterruptedException e) {
                                }
                                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
                                System.out.println(c3); // false
                        }
                });
                refT1.start();
                refT2.start();
        }
}