13、解决java多线程ABA问题的AtomicStampedReference

本文深入探讨了并发编程中的ABA问题,通过实例演示了AtomicStampedReference如何利用时间戳机制有效避免ABA问题,确保线程安全。同时对比了AtomicMarkableReference的不同。

AtomicStampedReference是一个带有时间戳的对象引用,能很好的解决CAS机制中的ABA问题,这篇文章将通过案例对其介绍分析。

一、ABA问题

ABA问题是CAS机制中出现的一个问题,他的描述是这样的。我们直接画一张图来演示,
在这里插入图片描述

什么意思呢?就是说一个线程把数据A变为了B,然后又重新变成了A。此时另外一个线程读取的时候,发现A没有变化,就误以为是原来的那个A。这就是有名的ABA问题。ABA问题会带来什么后果呢?我们举个例子。

一个小偷,把别人家的钱偷了之后又还了回来,还是原来的钱吗,你老婆出轨之后又回来,还是原来的老婆嘛?ABA问题也一样,如果不好好解决就会带来大量的问题。最常见的就是资金问题,也就是别人如果挪用了你的钱,在你发现之前又还了回来。但是别人却已经触犯了法律。

如何去解决这个ABA问题呢,就是使用今天所说的AtomicStampedReference。

二、AtomicStampedReference

1、问题解决

我们先给出一个ABA的例子,对ABA问题进行场景重现。

public class AtomicTest {
	private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(10);
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(() -> {
			index.compareAndSet(10, 11);
			index.compareAndSet(11, 10);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
					": 10->11->10");
		},"张三").start();
		
		new Thread(() -> {
			try {
				TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
				boolean isSuccess = index.compareAndSet(10, 12);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()+
						": index是预期的10嘛,"+isSuccess
						+"   设置的新值是:"+index.get());
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		},"李四").start();
	}
}

在上面的代码中,我们使用张三线程,对index10->11->10的变化,然后李四线程读取index观察是否有变化,并设置新值。运行一下看看结果:

在这里插入图片描述

这个案例重现了ABA的问题场景,下面我们看如何使用AtomicStampedReference解决这个问题的。

public class AtomicTest2 {
	private static AtomicInteger index = new AtomicInteger(10);
	static AtomicStampedReference<Integer> stampRef 
							= new AtomicStampedReference(10, 1);
	public static void main(String[] args) {
		new Thread(() -> {
			int stamp = stampRef.getStamp();
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
					+ " 第1次版本号: " + stamp);
			stampRef.compareAndSet(10, 11,stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
					+ " 第2次版本号: " + stampRef.getStamp());
			stampRef.compareAndSet(11, 10,stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
					+ " 第3次版本号: " + stampRef.getStamp());
		},"张三").start();
		
		new Thread(() -> {
			try {
				int stamp = stampRef.getStamp();
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
						+ " 第1次版本号: " + stamp);
				TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
				boolean isSuccess =stampRef.compareAndSet(10, 12,
						stampRef.getStamp(),stampRef.getStamp()+1);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
						+ " 修改是否成功: "+ isSuccess+" 当前版本 :" + stampRef.getStamp());
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
						+ " 当前实际值: " + stampRef.getReference());
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		},"李四").start();
	}
}

上面的代码我们再来分析一下,我们会发现AtomicStampedReference里面增加了一个时间戳,也就是说每一次修改只需要设置不同的版本好即可。我们先运行一边看看:

在这里插入图片描述
这里使用的是AtomicStampedReference的compareAndSet函数,这里面有四个参数:

compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)。

(1)第一个参数expectedReference:表示预期值。

(2)第二个参数newReference:表示要更新的值。

(3)第三个参数expectedStamp:表示预期的时间戳。

(4)第四个参数newStamp:表示要更新的时间戳。

这个compareAndSet方法到底是如何实现的,我们深入到源码中看看。

2、源码分析

    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)));
    }

刚刚这四个参数的意思已经说了,我们主要关注的就是实现,首先我们看到的就是这个Pair,因此想要弄清楚,我们再看看这个Pair是什么,

   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);
        }
    }

在这里我们会发现Pair里面只是包存了值reference和时间戳stamp。

在compareAndSet方法中最后还调用了casPair方法,从名字就可以看到,主要是使用CAS机制更新新的值reference和时间戳stamp。我们可以进入这个方法中看看。

    //底层调用的是UNSAFE的compareAndSwapObject方法
   
    private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

三、总结

其实除了AtomicStampedReference类,还有一个原子类也可以解决,就是AtomicMarkableReference,它不是维护一个版本号,而是维护一个boolean类型的标记,用法没有AtomicStampedReference灵活。因此也只是在特定的场景下使用。

在这里插入图片描述

多线程编程中,CAS(Compare and Swap)机制被广泛使用。它可以实现无锁并发,提高程序的性能。但是,CAS 机制存在 ABA 问题,即当一个值从 A 变为 B,再从 B 变回 A,这时另一个线程也会执行相同的操作,而我们无法区分这两次操作是否真正修改了值。为了解决这个问题Java 提供了一个原子类 AtomicStampedReferenceAtomicStampedReference 可以保证在进行 CAS 操作时,不仅比较对象值是否相等,还会比较对象的时间戳是否相等。时间戳是一个整数值,每次对象值的改变都会导致时间戳的变化。因此,即使对象值从 A 变为 B,再从 B 变回 A,时间戳也会发生变化,从而避免了 ABA 问题的出现。 下面是一个使用 AtomicStampedReference 解决 ABA 问题的示例代码: ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference; public class AtomicStampedReferenceDemo { static AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(1, 0); public static void main(String[] args) { new Thread(() -> { int stamp = reference.getStamp(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 第 1 次版本号:" + stamp); reference.compareAndSet(1, 2, stamp, stamp + 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 第 2 次版本号:" + reference.getStamp()); reference.compareAndSet(2, 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 第 3 次版本号:" + reference.getStamp()); }, "线程 1").start(); new Thread(() -> { int stamp = reference.getStamp(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 第 1 次版本号:" + stamp); // 等待线程 1 完成 CAS 操作 try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } boolean isSuccess = reference.compareAndSet(1, 3, stamp, stamp + 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 是否修改成功:" + isSuccess); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 当前版本号:" + reference.getStamp()); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 当前值:" + reference.getReference()); }, "线程 2").start(); } } ``` 输出结果: ``` 线程 1 第 1 次版本号:0 线程 1 第 2 次版本号:1 线程 1 第 3 次版本号:2 线程 2 第 1 次版本号:0 线程 2 是否修改成功:false 线程 2 当前版本号:2 线程 2 当前值:1 ``` 通过输出结果可以看出,线程 2 尝试将值从 1 改为 3,但是由于版本号已经被线程 1 修改过了,因此 CAS 操作失败,避免了 ABA 问题的出现。
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