CAS底层原理和ABA问题
CAS底层原理
概念
CAS的全称是Compare-And-Swap，它是CPU并发原语
它的功能是判断内存某个位置的值是否为预期值，如果是则更改为新的值，这个过程是原子的
CAS并发原语体现在Java语言中就是sun.misc.Unsafe类的各个方法。调用UnSafe类中的CAS方法，JVM会帮我们实现出CAS汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，通过它实现了原子操作，再次强调，由于CAS是一种系统原语，原语属于操作系统用于范畴，是由若干条指令组成，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中断，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的问题，也就是说CAS是线程安全的。
代码使用
首先调用AtomicInteger创建了一个实例， 并初始化为5
// 创建一个原子类
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
然后调用CAS方法，企图更新成2020，这里有两个参数，一个是5，表示期望值，第二个就是我们要更新的值
atomicInteger.compareAndSet(5, 2020)
然后再次使用了一个方法，同样将值改成1024
atomicInteger.compareAndSet(5, 1024)
完整代码如下：
/**
* @author HuangHaiyang
* @date 2020/08/18
* @description: description
* @version: 1.0.0
*/
public class CASDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个原子类
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
/**
* 一个是期望值，一个是更新值，但期望值和原来的值相同时，才能够更改
* 假设三秒前，我拿的是5，也就是expect为5，然后我需要更新成 2019
*/
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2020) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 1024) + "\t current data: " + atomicInteger.get());
}
}
我们执行第一个的时候，期望值和原本值是满足的，因此修改成功，但是第二次后，主内存的值已经修改成了2020，不满足期望值，因此返回了false，本次写入失败
这个就类似于SVN或者Git的版本号，如果没有人更改过，就能够正常提交，否者需要先将代码pull下来，合并代码后，然后提交
CAS底层原理
首先我们先看看 atomicInteger.getAndIncrement()方法的源码
从这里能够看到，底层又调用了一个unsafe类的getAndAddInt方法
1、unsafe类
Unsafe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，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定的内存数据。Unsafe类存在sun.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中的CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。
注意Unsafe类的所有方法都是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的任务
为什么Atomic修饰的包装类，能够保证原子性，依靠的就是底层的unsafe类
2、变量valueOffset
表示该变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
从这里我们能够看到，通过valueOffset，直接通过内存地址，获取到值，然后进行加1的操作
3、变量value用volatile修饰
保证了多线程之间的内存可见性
var5：就是我们从主内存中拷贝到工作内存中的值
那么操作的时候，需要比较工作内存中的值，和主内存中的值进行比较
假设执行 compareAndSwapInt返回false，那么就一直执行 while方法，直到期望的值和真实值一样
- val1：AtomicInteger对象本身
- var2：该对象值得引用地址
- var4：需要变动的数量
- var5：用var1和var2找到的内存中的真实值
- 用该对象当前的值与var5比较
- 如果相同，更新var5 + var4 并返回true
- 如果不同，继续取值然后再比较，直到更新完成
这里没有用synchronized，而用CAS，这样提高了并发性，也能够实现一致性，是因为每个线程进来后，进入的do while循环，然后不断的获取内存中的值，判断是否为最新，然后在进行更新操作。
假设线程A和线程B同时执行getAndInt操作（分别跑在不同的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各自持有一份价值为3的副本，分别存储在各自的工作内存
- 线程A通过getIntVolatile(var1 , var2) 拿到value值3，这是线程A被挂起（该线程失去CPU执行权）
- 线程B也通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值也是3，此时刚好线程B没有被挂起，并执行了compareAndSwapInt方法，比较内存的值也是3，成功修改内存值为4，线程B打完收工，一切OK
- 这是线程A恢复，执行CAS方法，比较发现自己手里的数字3和主内存中的数字4不一致，说明该值已经被其它线程抢先一步修改过了，那么A线程本次修改失败，只能够重新读取后在来一遍了，也就是在执行do while
- 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总能够看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。
Unsafe类 + CAS思想： 也就是自旋，自我旋转
底层汇编
Unsafe类中的compareAndSwapInt是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中
- 先想办法拿到变量value在内存中的地址
- 通过Atomic::cmpxchg实现比较替换，其中参数X是即将更新的值，参数e是原内存的值
CAS缺点
CAS不加锁，保证一次性，但是需要多次比较
- 循环时间长，开销大（因为执行的是do while，如果比较不成功一直在循环，最差的情况，就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样，这样就会无限循环）
- 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，我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作
- 但是对于多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候只能用锁来保证原子性
- 引出来ABA问题？
CAS
CAS是compareAndSwap，比较当前工作内存中的值和主物理内存中的值，如果相同则执行规定操作，否者继续比较直到主内存和工作内存的值一致为止
CAS应用
CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的更新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否者什么都不做
CAS中的ABA问题
连环套路
从AtomicInteger引出下面的问题
CAS -> Unsafe -> CAS底层思想 -> ABA -> 原子引用更新 -> 如何规避ABA问题
ABA问题是什么
狸猫换太子
假设现在有两个线程，分别是T1 和 T2，然后T1执行某个操作的时间为10秒，T2执行某个时间的操作是2秒，最开始AB两个线程，分别从主内存中获取A值，但是因为B的执行速度更快，他先把A的值改成B，然后在修改成A，然后执行完毕，T1线程在10秒后，执行完毕，判断内存中的值为A，并且和自己预期的值一样，它就认为没有人更改了主内存中的值，就快乐的修改成B，但是实际上 可能中间经历了 ABCDEFA 这个变换，也就是中间的值经历了狸猫换太子。
所以ABA问题就是，在进行获取主内存值的时候，该内存值在我们写入主内存的时候，已经被修改了N次，但是最终又改成原来的值了
CAS导致ABA问题
CAS算法实现了一个重要的前提，需要取出内存中某时刻的数据，并在当下时刻比较并替换，那么这个时间差会导致数据的变化。
比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另外一个线程two也从内存中取出A，并且线程two进行了一些操作将值变成了B，然后线程two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后线程one操作成功
尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的
ABA问题
CAS只管开头和结尾，也就是头和尾是一样，那就修改成功，中间的这个过程，可能会被人修改过
原子引用
原子引用其实和原子包装类是差不多的概念，就是将一个java类，用原子引用类进行包装起来，那么这个类就具备了原子性
/**
* @author HuangHaiyang
* @date 2020/08/18
* @description: description
* @version: 1.0.0
*/
class User {
String userName;
int age;
public User(String userName, int age) {
this.userName = userName;
this.age = age;
}
public String getUserName() {
return userName;
}
public void setUserName(String userName) {
this.userName = userName;
}
public int getAge() {
return age;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"userName='" + userName + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
public class AtomicReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
User z3 = new User("z3", 22);
User l4 = new User("l4", 25);
// 创建原子引用包装类
AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
// 现在主物理内存的共享变量，为z3
atomicReference.set(z3);
// 比较并交换，如果现在主物理内存的值为z3，那么交换成l4
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(z3, l4) + "\t " + atomicReference.get().toString());
// 比较并交换，现在主物理内存的值是l4了，但是预期为z3，因此交换失败
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(z3, l4) + "\t " + atomicReference.get().toString());
}
}
基于原子引用的ABA问题
我们首先创建了两个线程，然后T1线程，执行一次ABA的操作，T2线程在一秒后修改主内存的值
/**
* @author HuangHaiyang
* @date 2020/07/07
* @description: description
* @version: 1.0.0
*/
public class ABADemo {
/**
* 普通的原子引用包装类
*/
static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
// 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
atomicReference.compareAndSet(100, 101);
atomicReference.compareAndSet(101, 100);
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
try {
// 睡眠一秒，保证t1线程，完成了ABA操作
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());
}, "t2").start();
}
}
我们发现，它能够成功的修改，这就是ABA问题
解决ABA问题
新增一种机制，也就是修改版本号，类似于时间戳的概念
T1： 100 1 2019 2
T2： 100 1 101 2 100 3
如果T1修改的时候，版本号为2，落后于现在的版本号3，所以要重新获取最新值，这里就提出了一个使用时间戳版本号，来解决ABA问题的思路
AtomicStampedReference
时间戳原子引用，来这里应用于版本号的更新，也就是每次更新的时候，需要比较期望值和当前值，以及期望版本号和当前版本号
package com.qcby.bilbil.gc;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
/**
* @author HuangHaiyang
* @date 2020/08/18
* @description: description
* @version: 1.0.0
*/
public class ABADemo {
/**
* 普通的原子引用包装类
*/
static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
// 传递两个值，一个是初始值，一个是初始版本号
static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
public static void main(String[] args) {
System.out.println("============以下是ABA问题的产生==========");
new Thread(() -> {
// 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
atomicReference.compareAndSet(100, 101);
atomicReference.compareAndSet(101, 100);
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
try {
// 睡眠一秒，保证t1线程，完成了ABA操作
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 把100 改成 101 然后在改成100，也就是ABA
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2019) + "\t" + atomicReference.get());
}, "t2").start();
System.out.println("============以下是ABA问题的解决==========");
new Thread(() -> {
// 获取版本号
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);
// 暂停t3一秒钟
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 传入4个值，期望值，更新值，期望版本号，更新版本号
atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第二次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());
atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第三次版本号" + atomicStampedReference.getStamp());
}, "t3").start();
new Thread(() -> {
// 获取版本号
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);
// 暂停t4 3秒钟，保证t3线程也进行一次ABA问题
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
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());
}, "t4").start();
}
}
运行结果为：
我们能够发现，线程t3，在进行ABA操作后，版本号变更成了3，而线程t4在进行操作的时候，就出现操作失败了，因为版本号和当初拿到的不一样