JAVA中的CAS和ABA问题
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
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
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 {
/**
* 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 {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static Pair of(T reference, int stamp) {
return new Pair(reference, stamp);
}
}
private volatile Pair 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 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 cmp, Pair 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;
}
}
}
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