Java中的CAS和ABA问题说明

1.CAS

1）CAS概念

CAS时Compare And Swap缩写，即比较与交换是用于实现多线程同步的原子指令，它将内存位置的内容与给定值相比较，相同则修改内存位置的值为新值，而整个操作是调用的UnSafe的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt或者compareAndSwapLong完成的，而这些方法都是native修饰的本地方法，是一种系统原语系统支持的操作。

2）CAS产生的影响（无锁执行）

CAS是一种无锁对象的原子操作，锁分为乐观锁和悲观锁，乐观派抱着几乎不会发生修改同一资源的状态，任意操作同意对象资源，如果遇到修改同一资源的情况，资源不会修改成功，能够保证资源的安全，而悲观派会认为同一资源被错误修改后会造成不可挽回的局面，故自能有一个线程修改资源，这样总会对系统性能产生一定的影响，拖慢自行速度，CAS即无锁执行者，被CAS修饰过的资源可以同时被多个线程修改依然能保证系统安全，无锁不需要等待提高系统性能，jdk提供的CAS原理实现的并发类Automic系列运用及其原理介绍。

3）Automic并发类CAS原理代码分析

首先介绍java的指针操作类UnSafe，Unsafe类是在sun.misc包下，不属于Java标准。但是很多Java的基础类库，包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的，因为UnSafe使Java像C语言一样使其拥有操作内存指针的能力，因为操作内存指针容易出错，故起名UnSafe不安全的类，因此Java官方并不建议使用的，但CAS原理就是UnSafe类中的compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong方法实现的，该方法需传入四个参数：第一个参数代表给定的对象，第二个参数代表给定对象再内存中的偏移量，第三个参数标识对象的期望值，第四个参数标识要修改的值，并发保重的Automic系列的原子操作类都是使用UnSafe类实现的。

UnSafe源码如下：

/**
* 第一个参数var1代表给定对象，第二个参数var2代表var1对象在内存中的偏移量，第三个参数var3为期望修改* 的对象旧值，第四个参数var4代表要修改的值或着说是修改后的值。
**/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var3, Object var4);
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

举例AtomicInteger源码实现原理：

AutomicInteger中的getAndSet实现原理解析：

    /**
    * 调用的UnSafe的getAndSetInt方法，给定值和偏移量和修改的值，
    * 获取修改的值var5作为compareAndSwapInt的第三个参数用来和var1比较相同则执行更新操作
    * while循环知道操作成功。
    *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
    *   int var5;
    *   do {
    *       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    *   } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));
    *
    *    return var5;
    *}
    **/
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }

package java.util.concurrent.atomic;
import java.util.function.IntUnaryOperator;
import java.util.function.IntBinaryOperator;
import sun.misc.Unsafe;

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
   private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

// 获取UnSafe对象实例
   private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
   //对象在内存中的偏移量
   private static final long valueOffset;

//初始化valueOffset
   static {
       try {
           valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
               (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
       } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
   }

//对象属性值
   private volatile int value;

public AtomicInteger(int initialValue) {
       value = initialValue;
   }

public AtomicInteger() {
   }

/**
   * 调用的UnSafe的getAndSetInt方法，给定值和偏移量和修改的值，
   * 获取修改的值var5作为compareAndSwapInt的第三个参数用来和var1比较相同则执行更新操作
   * while循环知道操作成功。
   *public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
   *   int var5;
   *   do {
   *       var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
   *   } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));
   *
   *    return var5;
   *}
   **/
   public final int getAndSet(int newValue) {
       return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
   }

//调用UnSafe的compareAndSwapInt方法保证CAS
   public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
       return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
   }

//调用UnSafe的compareAndSwapInt方法保证CAS
   public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
       return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
   }

//调用UnSafe的getAndAddInt再调用UnSafe的getAndSetInt方法保证CAS
   public final int getAndIncrement() {
       return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
   }

public final int getAndDecrement() {
       return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
   }
   .........
}

4）CAS导致的ABA问题

操作对象，获取对象后，执行CAS操作前，被其他线程修改后，且又修改为原来的对象值，导致CAS忽略其他线程的修改，成功执行CAS对象修改，这种情况就叫做ABA问题。

下图所示：

解决办法：

AtomicStampedReference类提供了解决办法，在对象之中又添加了stamp时间戳属性避免其他线程修改了多次并变回修改前的value值，但对比stamp不同便可知道对象是被修改过的，只有提供属性值和stamp时间戳相等才能成功执行CAS修改操作，里面包裹了一个键值对对象AtomicStampedReference.Pair<V> pair类型，pair中值为属性值，value为stamp时间戳，在执行CAS操作时需要提供原值的value和时间戳都相等的情况才能成功执行CAS操作。

AtomicMarkableReference类提供了解决办法，在对象之中又添加了stamp时间戳属性避免其他线程修改了多次并变回修改前的value值，但对比stamp不同便可知道对象是被修改过的，只有提供属性值和boolean类型的mark标记相等才能成功执行CAS修改操作，里面包裹了一个键值对对象AtomicMarkableReference.Pair<V> pair类型，pair中值为属性值，value为mark是否被修改的标记，在执行CAS操作时需要提供原值的value和mark标记都相等的情况才能成功执行CAS操作。

本文只介绍AtomicStampedReference类的源码分析，AtomicMarkableReference类同AtomicStampedReference类原理一样，

源码如下：

package java.util.concurrent.atomic;
public class AtomicStampedReference<V> {
  /**
   * 对象值时一个AtomicStampedReference内置对象Pair，包裹了reference和stamp两个属性
   */
   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);
       }
   }

private volatile Pair<V> pair;

/**
    * 初始化对象并初始化pair
    */
   public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
       pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
   }

/**
    * 比较当前对象属性值和输入原始值为真，在比较当前对象的时间stamp与期望的stamp进行比较
    * 如果也想等，就更新值和stamp
    * @param expectedReference 原始值
    * @param newReference 新值
    * @param expectedStamp 期望时间
    * @param newStamp 新时间
    * @return {@code true} if successful
    */
   public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                V   newReference,
                                int expectedStamp,
                                int newStamp) {
       Pair<V> current = pair;  //赋值当前对象
       return
           expectedReference == current.reference &&
           expectedStamp == current.stamp &&
           ((newReference == current.reference &&
             newStamp == current.stamp) ||
            casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
   }

// Unsafe mechanics

private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
   private static final long pairOffset =
       objectFieldOffset(UNSAFE, "pair", AtomicStampedReference.class);

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

static long objectFieldOffset(sun.misc.Unsafe UNSAFE,
                                 String field, Class<?> klazz) {
       try {
           return UNSAFE.objectFieldOffset(klazz.getDeclaredField(field));
       } catch (NoSuchFieldException e) {
           // Convert Exception to corresponding Error
           NoSuchFieldError error = new NoSuchFieldError(field);
           error.initCause(e);
           throw error;
       }
   }
}

来源：https://blog.csdn.net/lishentao_1122/article/details/88853915