CAS 和 ABA 问题

cas简介

cas 全称是 compare and swap，是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。

cas 它是一条cpu并发原语。操作包含三个操作数 -- 内存位置、预期数值和新值。cas 的实现逻辑是将内存位置处的数值与预期数值想比较，若相等，则将内存位置处的值替换为新值。若不相等，则不做任何操作。这个过程是原子的。

cas并发原语体现在java语言中的sun.misc.unsafe类中的各个方法。调用unsafe类中的cas方法，jvm会帮我们实现汇编指令。这是一种完全依赖硬件的功能，通过它实现了原子操作。由于cas是一种系统原语，原语属于操作系统用语范畴，是由若干条指令组成的，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被打断，也就是说cas是一条cpu的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。

unsafe类

unsafe类是cas的核心类，由于java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（native）方法来访问，基于该类可以直接操作特定内存的数据。unsafe类存在与sum.misc包中，其内部方法操作可以像c的指针一样直接操作内存，因为java中cas操作的执行依赖于unsafe类的方法。

unsafe类中的所有方法都是native修饰的，也就是说unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应任务。

代码解析

public class casdemo {
    public static void main(string[] args) {
        atomicinteger atomicinteger = new atomicinteger(5);
        
        // 运行结果： true   2019
        system.out.println(atomicinteger.compareandset(5, 2019) + "\t" + atomicinteger.get());
        // 运行结果： false  2019
        system.out.println(atomicinteger.compareandset(5, 1024) + "\t" + atomicinteger.get());

        // 此方法可以解决多线程环境下i++问题，底层使用的是unsafe类cas和自旋锁
        atomicinteger.getandincrement();
    }
}

源码分析：

/**
     * atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the previous value
     */
    public final int getandincrement() {
        // this=当前对象 valueoffset=内存偏移量(内存地址) 1=固定值，每次调用+1
        // unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
        return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1);
    }
    
    /**
     * 为了方便查看和添加注释，此方法是从unsafe类中复制出来的
     */
    public final int getandaddint(object var1, long var2, int var4) {
            int var5;
            do {
                // 获取var1对象，内存地址在var2的值。
                // 相当于这个线程从主物理内存中取值copy到自己的工作内存中。
                var5 = this.getintvolatile(var1, var2);
                
                // 比较并交换，如果var1对象，内存地址在var2的值和var5值一样，那么就+1
                // compareandswapint如果返回true，取反为false，说明更新成功，退出循环，则返回。
                // compareandswapint如果返回false，取反为true，说明当前线程工作内存中的值和主物理内存中的值不一样，被其他线程修改了，则继续循环获取比较，直到更新成功为止。
            } while(!this.compareandswapint(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
            return var5;
        }

执行过程说明：

• 假设线程a和线程b两个线程同时执行 getandaddint操作(分别跑在不同cpu上):
• atomicinteger里面的value原始值为3,即主内存中 atomicinteger的value为3,根据jmm模型,线程a和线程b各自持有一
  份值为3的value的副本分别到各自的工作内存。
• 线程a通过 getintvolatile(var1,var2)拿到value值3,这时线程a被挂起。
• 线程b也通过 getintvolatile(var1,var2)方法获取到value值3,此时刚好线程b没有被挂起并执行 compareandswapint方法
  比较内存值也为3,成功修改内存值为4,线程b改完收工,一切ok。
• 这时线程a恢复,执行 compareandswapint方法比较,发现自己手里的值数字3和主内存的值数字4不一致,说明该值已
  经被其它线程抢先一步修改过了,那a线程本次修改失败,只能重新读取重新来一遍了。
• 线程a重新获取 value值,因为变量value被 volatile修饰,所以其它线程对它的修改,线程a总是能够看到,线程a继续执
  了 compareandswapint进行比较替换,直到成功。

volatile简单说明：
volatile是一个轻量级的同步机制, 三大特性: 保证可见性, 不保证原子性, 禁止指令重排。

• 可见性: 多个线程从主内存中copy一份数据,修改后,需要将自己的数据重新写入主内存,并通知其他线程数据已更新,保证数据可见性,和多线程数据一致性。
• 禁止指令重排: 由于指令重排,会对代码的执行顺序进行优化,可能会导致最后的结果和期望的结果不一致,所以需要禁止重排。

cas的优缺点

优点：

• 不需要加锁，保持了一致性和并发性。

缺点：

• 循环时间长开销很大：我们可以看到getandaddint方法执行时，如果cas失败，会一直进行尝试。如果cas长时间一直不成功，可能会给cpu带来很大的开销。
• 只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环cas的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环cas就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁来保证原子性。
• aba问题：下面会提供详细案例

aba问题

举个栗子说明：

主内存有个数据值：a，两个线程a和b分别copy主内存数据到自己的工作区，a执行比较慢，需要10秒， b执行比较快，需要2秒， 此时b线程将主内存中的数据更改为b，过了一会又更改为a，然后a线程执行比较，发现结果是a，以为别人没有动过，然后执行更改操作。其实中间已经被更改过了，这就是aba问题。

也就是aba问题只要开始时的数据和结束时的数据一致，我就认为没改过，不管过程。

尽管a线程的cas操作是成功的，但是不代表这个过程就是没问题的。

aba问题说简单点就是，预判值还是和当初抓取的一样，但是这个“ 值 ”的版本可能不一样了，在某些不仅要考虑数据值是否一致，还要考虑版本是否一致的场景下需要注意.

java并发包为了解决这个问题，提供了一个带有标记的原子引用类“atomicstampedreference”，它可以通过控制变量值的版本来保证cas的正确性。

解决aba问题的代码示例

/**
 * 解决cas的aba问题
 */
public class solveabaofcas {

    static atomicreference<integer> atomicreference = new atomicreference<>(100);
    static atomicstampedreference<integer> atomicstampedreference = new atomicstampedreference<>(100, 1);

    public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
        system.out.println("==========以下是aba问题的产生==========");
        new thread(() -> {
            atomicreference.compareandset(100, 101);
            atomicreference.compareandset(101, 100);
        }, "t1").start();

        new thread(() -> {
            try {
                // 暂停1秒钟,保证上面完成一次aba操作
                thread.sleep(1000);
                system.out.println(atomicreference.compareandset(100, 2019) + "\t" + atomicreference.get());
            } catch (interruptedexception e) {
                e.printstacktrace();
            }
        }, "t2").start();

        thread.sleep(2000);
        system.out.println("==========以下是aba问题的解决==========");
        new thread(() -> {
            int stamp = atomicstampedreference.getstamp();
            system.out.println(thread.currentthread().getname() + "\t第1次版本号" + stamp);
            try {
                // 暂停一秒钟t3线程
                thread.sleep(1000);
                atomicstampedreference.compareandset(100, 101, atomicstampedreference.getstamp(), atomicstampedreference.getstamp() + 1);
                system.out.println(thread.currentthread().getname() + "\t第2次版本号" + atomicstampedreference.getstamp());
                atomicstampedreference.compareandset(101, 100, atomicstampedreference.getstamp(), atomicstampedreference.getstamp() + 1);
                system.out.println(thread.currentthread().getname() + "\t第3次版本号" + atomicstampedreference.getstamp());
            } catch (interruptedexception e) {
                e.printstacktrace();
            }
        }, "t3").start();

        new thread(() -> {
            int stamp = atomicstampedreference.getstamp();
            system.out.println(thread.currentthread().getname() + "\t第1次版本号" + stamp);
            try {
                // 暂停3秒钟t4线程,保证上面的t3线程完成一次aba操作
                thread.sleep(3000);
                boolean result = atomicstampedreference.compareandset(100, 2019, 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());
                system.out.println(thread.currentthread().getname() + "\t当前实际最新值: " + atomicstampedreference.getreference());
            } catch (interruptedexception e) {
                e.printstacktrace();
            }
        }, "t4").start();

    }
}

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