CAS实现原子操作的三个问题

在java中，如果要进行原子操作，我们可以通过加锁或CAS的方式来实现。其中，CAS虽然高效的解决了原子操作，但需要注意其存在的三个问题：ABA问题、自旋时间长开销大、只能保证一个共享变量的原子操作。

一、ABA问题

CAS 在修改变量值时，会先检查该变量的值是否和预期值一致，若一致则修改，引发的ABA问题的情况是：如一个变量初始值为A，被另外一个线程修改成B，再由B修改为A，此时使用CAS进行操作就检查不出变量的变化轨迹，并对该变量修改，这就是ABA问题，其前提条件是“节点可以被循环使用”。

ABA问题的解决办法是在变量前加上版本号，每次变量的修改都将版本号加1，此时 A → B → A 则变成 1A → 2B → 3A。从而避免ABA问题。

JDK 1.5 之后在并发包下也提供了对应的带邮戳的原子类 AtomicStampedReference以解决ABA问题。

/**
 * 原子设置 reference 和 stamp 为给定的更新值，
 * 当且当前的引用== 期望的引用，stamp和期望的stamp相等
 *
 * @param expectedReference the expected value of the reference
 * @param newReference the new value for the reference
 * @param expectedStamp the expected value of the stamp
 * @param newStamp the new value for the stamp
 * @return {@code true} if successful
 */
public boolean compareAndSet(
							 V   expectedReference, // 期望的引用
                             V   newReference, // 新的引用
                             int expectedStamp,// 期望的stamp
                             int newStamp // 新的stamp
                             ) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

二、自旋时间长开销大

如果CAS自旋长时间仍不成功，对CPU的开销是非常大的。

三、只能保证一个共享变量的原子操作

CAS可以保证单个共享变量的原子操作，对于多个共享变量，CAS无法保证原子性，当然此时可以使用锁来解决。另外一个方法是：把多个共享变量封装进一个对象，然后通过AtomicReference类保证引用对象之间的原子性。

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参考：
1.《Java并发编程的艺术》-Java并发机制的底层实现原理（第2章）
2.《JAVA并发编程实战》，Doug lea