JAVA并发编程——CAS概念以及ABA问题

1.CAS基础概念

2.CAS源码阅读（自旋锁）

3.CAS产生的ABA问题

4.如何解决ABA问题

1.CAS基础概念
CAS顾名思义，就是 Compare And Swap(比较并交换)，简单一点就是说：我们想改变一个变量的值的时候，工作内存会读取现在内存中的值，然后我们对这个值进行一系列的操作之后，再将这个值更新回主存中，这个时候，我们要比较一下主存现在的值和之前读取的值，是否在操作这个变量的时间内，被其它线程更改了值，如果主存中值和之前读取的值内容相同，则交换。

我们用代码进行解释：

public class CASDemo {


    public static void main(String[] args) {
        //先设置一个原子变量，这个变量有CAS的方法 设置原值为5
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        // 比较并交换，设置期望值为5，交换值为2021
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2021) + " value is " + atomicInteger.get());
        // 此时期望值已经被改成了2021，再比较并交换，在期望值为5的情况下，会报错
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2022) + " value is " + atomicInteger.get());
    }
}

当然我们平时一般用这个类的这个方法不多，我们用的多的都是

atomicInteger.getAndIncrement();

这个方法会用cas进行策略进行自增操作，接下来我们来读一读他的源码

2.CAS底层原理（自旋锁）
atomicInteger.getAndIncrement(); 这个方法我们来点击进入

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

我们可以看到，他调用了一个unsafe类，然后传了本对象，valueOffset,和1，unsafe类我们先放一放，先解释一下valueOffset。
valueOffset是变量的内存偏移量地址，是保存这个对象的属性在内存中的位置，比如说我这个atomicInteger变量的数值是1，valueOffset就保存了1这个变量在内存中的位置。

然后我们再往unsafe类里点

   public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

看了源码，我们大概就可以明白了，传入atomicInteger(var1)对象后，通过这个对象和内存偏移量(var2) ，使用getIntVolatile方法找到这个值的位置，然后通过this.compareAndSwapInt 方法，比较并交换，如果成功就+1，如果失败就一直循环，这就是自旋锁。

由于这几个类都是在unsafe类里调用的，我们现在可以看出，unsafe类的作用：

是cas的核心类，由于java方法无法访问系统底层，而要通过native方法调用，unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定内存的数据，unsafe类位于sum.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样操作内存，因为java中cas的操作依赖于unsafe类。

3.CAS产生的ABA问题

我们先解释一下什么是ABA问题：
假设我们现在有两个线程，有一个共有变量T,线程A要把T从2改成5，需要十秒钟时间，线程B在两秒钟之内把T改成了3，又把T改回了2，虽然在A线程眼里看来，T值并未发生改变，但是T中途也是被改变过的，就是2 ->3 ->2 。
A线程毫无感知。
尽管A线程毫无感知并且操作成功，但是这并不代表程序有问题。

4.如何解决ABA问题

我们先介绍一个类：
AtomicReference 原子引用类

这个类提供了一个可以原子读写的对象，和AtomicInteger相同，不过这个类提供了一个泛型，可以指定读写的对象类型，意味着操作AtomicReference的多个线程，不会让他达到一个最终不一致的状态。他也有compareAndSet方法，用法与之前讲过的相同。

public class AtomicReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference atomicReference = new AtomicReference();

        AtomicUser user1 = new AtomicUser("小明", 15);
        AtomicUser user2 = new AtomicUser("小王", 17);

        atomicReference.set(user1);

        System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1, user2));

    }

}

但是，这个类还不能解决ABA问题，所以，我们要用更高级的一个类：
AtomicStampReference 原子引用时间戳类

他在设置类的时候，还多加了一个版本号，进行双重校验：
比如之前T变量的值从 2 ->3 ->2 但是与此同时， 该变量值的版本也发生了变化 1 ->2 ->3 所以，在双重校验的时候，如果任何一个变量不一致，都会发生修改失败的现象。

我们来看一下源码：

    //需要传两个参数，一个对象变量类型，一个版本号
    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }

再看一下compareAndSet源码

//需要同时传入两个原子变量和两个版本号
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

以上便是笔者近期学习的内容，发现知识还是需要以教代学，会更容易形成系统，避免知识孤岛的遗忘。