Java多线程中的ABA问题详解

引言

        理解 Java 多线程中的 ABA 问题需要深入研究多线程并发中的原子操作和内存模型，这部分的内容我在另一篇文章里写过：Java内存模型（JMM）详解-CSDN博客。

ABA 问题指的是一个共享变量的值在某个时间点变为 A，后来又变为 B，然后又恢复为 A。虽然看起来值没变化，但实际上数据的语义已经发生了变化，可能导致意料之外的结果。以下是对 ABA 问题的深入理解和代码示例。

1. 什么是 ABA 问题？

        ABA问题是在并发编程中出现的一种情况，涉及到多个线程对同一内存位置进行读写操作。它的名字来源于以下操作序列：A → B → A。在这种情况下，线程1读取了一个共享变量的值A，然后线程2将该共享变量的值更改为B，最后线程2又将其值改回A。

        这个问题会影响基于CAS（Compare-And-Swap）或类似机制的并发算法。在CAS操作中，线程会读取一个内存位置的值，并且只有在该值和预期值相同时才会进行更新操作。ABA问题使得在并发环境中可能会忽略中间发生的其他更改，因为它只检查值是否与预期值相同。

举个例子：

假设一个初始值为A的共享变量，执行以下操作：

1. 线程1读取共享变量值A，并执行一些计算。
2. 在线程1正在计算的时候，线程2把共享变量的值从A改为了B，然后又改回了A。
3. 线程1完成计算并尝试更新共享变量。在CAS操作中，它检查共享变量的值是否与预期的值A相同，结果是相同的（尽管期间发生了从A到B再到A的变化），所以线程1错误地认为没有其他线程修改过这个值，并执行更新操作。

        这样，尽管线程1检查的值是预期的A，但在其执行CAS操作时，实际上共享变量的状态已经发生了变化。这就是ABA问题的核心：尽管在两次检查时共享变量的值都是A，但实际上这个A已经经历了其他值（比如B）的修改。

        为了解决ABA问题，可以使用版本号、时间戳或其他更复杂的方法来标记数据的变化。这样可以在进行CAS操作时，不仅仅检查值是否相同，还可以检查标记值以确保在整个过程中数据没有发生过变化。

2. ABA 问题的原因

虽然线程1在检查时看到的值确实与之前相同，但实际上这个值已经在此期间被修改过了（经历了从A到B再到A的过程），这就是ABA问题。

• 并发场景下的数据修改：假设有一个共享资源的值为 A。线程1读取了这个值A。
• 在某一时刻线程1挂起：在线程1尚未修改这个值之前，线程2修改了该共享资源的值，使其变为B，然后又修改回了A，这时共享资源的值重新变成了A。
• 线程1继续执行：线程1恢复执行，检查之前读取的值是否为A，发现它确实是A，然后继续执行基于这个假设进行的操作，但此时这个A已经不是之前的A了。

3. 代码示例演示ABA问题

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABADemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicStampedReference atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<>(100, 0);

        Thread mainThread = new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
            int oldValue = atomicStampedRef.getReference();
            int newValue = 101;

            // 期望值为100，如果相同，则替换为新值101
            boolean result = atomicStampedRef.compareAndSet(oldValue, newValue, stamp, stamp + 1);

            System.out.println("线程1执行CAS操作结果：" + result);
        });

        Thread otherThread = new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
            int oldValue = atomicStampedRef.getReference();
            int newValue = 100;

            // 将值改为100
            atomicStampedRef.compareAndSet(oldValue, newValue, stamp, stamp + 1);
            System.out.println("线程2将值改为100");
            
            oldValue = atomicStampedRef.getReference();
            newValue = 101;

            // 再将值改回101
            atomicStampedRef.compareAndSet(oldValue, newValue, stamp, stamp + 1);
            System.out.println("线程2将值改回101");
        });

        mainThread.start();
        otherThread.start();
    }
}

4. Mysql中的ABA问题

        在 MySQL 中，ABA问题通常与并发操作和事务隔离级别有关。虽然 ABA 问题最常见的是在多线程并发编程中，但在数据库系统中也存在类似的情况。

在事务中，如果一个事务在某个数据记录上读取了初始值 A，然后另一个事务将该记录值修改为 B，最后再修改回 A，那么在某些情况下，可能会导致类似 ABA 问题的结果。

考虑下面这种情况，以非锁定读取（例如READ COMMITTED隔离级别）为例：

1. 事务1读取某个数据记录的值为A。
2. 在事务1读取值A的过程中，事务2修改了该记录的值为B，然后又将其修改回了A。
3. 事务1再次读取该记录的值，仍然是A。在某些情况下，事务1可能会认为这个值没有被修改过（类似于ABA问题的检测）。

这种情况下，虽然两次读取的值是相同的，但实际上数据记录已经发生了变化。在某些事务隔离级别或数据库配置下，可能会出现类似于ABA问题的情况。

为了避免类似于ABA问题的情况，可以考虑使用更严格的事务隔离级别（如SERIALIZABLE），使用锁机制对数据进行更强的控制，以确保在事务中读取数据时保持数据的一致性。此外，合理设计事务的逻辑和避免不必要的并发操作也是减少类似问题发生的方法之一。

5. 避免ABA问题的解决方案

• 版本号或时间戳：对数据进行版本控制或标记时间戳，使得在检查时可以确定值是否被修改过。
• 原子引用：使用原子引用类（AtomicReference等）来保证原子性操作，使得在修改共享资源时可以进行原子更新。
• ABA的应用场景: 在某些情况下，ABA问题不是致命的，因为并不是所有的应用场景都非常敏感于这种问题，例如，某些缓存场景。

6. 总结

• ABA问题是多线程并发中常见的问题，使用CAS操作时要特别注意。解决方案包括版本号标记和不依赖于旧值来判断。深入理解并考虑多线程环境下的数据变化是避免ABA问题的关键。
• Mysql中也会有ABA问题，它通常与并发操作和事务隔离级别有关，我们再执行操作时可以加版本号的方式来解决。