# Java併發必知必會第三彈：用積木講解ABA原理  可落地的 Spring Cloud專案：[PassJava](https://github.com/Jackson0714/PassJava-Platform) ## 本篇主要內容如下  ## 一、背景  上一節我們講了[程式設計師深夜慘遭老婆鄙視，原因竟是CAS原理太簡單？](https://juejin.im/post/6863799243182702599)，留了一個彩蛋給大家，ABA問題是怎麼出現的，為什麼不是AAB拖拉機，AAA金花，4個A炸彈 ？這一篇我們再來揭開ABA的神祕面紗。 ## 二、面試連環炮 面試的時候我們也經常遭遇面試官的連環追問： - CAS概念？ - Unsafe類是幹啥用的？ - CAS底層實現是怎麼樣的 - ABA問題什麼場景下會出現？ - ABA有什麼危害？ - 原子引用更新是啥？ - 如何避免ABA問題？  ## 三、用積木講解ABA問題 **案例：甲看見一個三角形積木，覺得不好看，想替換成五邊形，但是乙想把積木替換成四邊形。（前提條件，只能被替換一次）**  可能出現的過程如上圖所示： - 第一步：乙先搶到了積木，將`三角形A`積木替換成`五角星B1` - 第二步：乙將`五角星B1`替換成`五邊形B2` - 第三步：乙將`五邊形B2`替換成`稜形B3` - 第四步：乙將`稜形B3`替換成`六邊形B4` - 第五步：乙將`六邊形B4`替換成`三角形A ` - 第六步：甲看到積木還是三角形，認為乙沒有替換，甲可以進行替換 - 第七步：甲將`三角形V`替換成了`五邊形B` **講解：**第一步道第五步，都是乙在替換，但最後還是替換成了三角形（即是不是同一個三角形），這個就是ABA，A指最開始是三角形，B指中間被替換的B1/B2/B3/B4，第二個A就是第五步中的A，中間不論經過怎麼樣的形狀替換，最後還是變成了三角形。然後甲再將A2和A1進行形狀比較，發現都是三角形，所以認為乙沒有動過積木，甲可以進行替換。**這個就是比較並替換（CAS）中的ABA問題。** **小結：**CAS只管開頭和結尾，中間過程不關心，只要頭尾相同，則認為可以進行修改，而中間過程很可能被其他人改過。 ## 四、用原子引用類演示ABA問題 `AtomicReference`：原子引用類 - 1.首先我們需要定義一個積木類 ```java /** 積木類 * @author: 悟空聊架構 * @create: 2020-08-25 */ class BuildingBlock { String shape; public BuildingBlock(String shape) { this.shape = shape; } @Override public String toString() { return "BuildingBlock{" + "shape='" + shape + '}'; } } ``` - 2.定義3個積木：三角形A，四邊形B，五邊形D ```java static BuildingBlock A = new BuildingBlock("三角形"); // 初始化一個積木物件B，形狀為四邊形 static BuildingBlock B = new BuildingBlock("四邊形"); // 初始化一個積木物件D，形狀為五邊形 static BuildingBlock D = new BuildingBlock("五邊形"); ``` - 初始化原子引用類 ``` static AtomicReference atomicReference = new AtomicReference<>(A); ``` - 4.執行緒“乙”執行ABA操作 ```java new Thread(() -> {// 初始化一個積木物件A，形狀為三角形 atomicReference.compareAndSet(A, B); // A->B atomicReference.compareAndSet(B, A); // B->A }, ``` - 5.執行緒“甲”執行比較並替換 ``` java new Thread(() -> {// 初始化一個積木物件A，形狀為三角形 try { // 睡眠一秒，保證t1執行緒，完成了ABA操作 TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } // 可以替換成功，因為乙執行緒執行了A->B->A，形狀沒變，所以甲可以進行替換。 System.out.println(atomicReference.compareAndSet(A, D) + "\t" + atomicReference.get()); // true BuildingBlock{shape='五邊形} }, "甲").start(); ``` **輸出結果：**true BuildingBlock{shape='五邊形} **小結：**當執行緒“乙”執行ABA之後，執行緒“甲”比較後，發現預期值和當前值一致，將三角形替換成了五邊形。 ## 五、那ABA到底有什麼危害？ 我們看到乙不管怎麼進行操作，甲看到的還是三角形，那甲當成乙沒有改變積木形狀 又有什麼問題呢？ 出現的問題場景通常是帶有消耗類的場景，比如庫存減少，商品賣出。 ### 1.我們想象一下生活中的這個喝水場景：  （1）一家三口人，爸爸、媽媽、兒子。 （2）一天早上6點，媽媽給兒子的水杯灌滿了水（水量為A），兒子先喝了一半（水量變成B）。 （3）然後媽媽把水杯又灌滿了（水量為A），等中午再喝（媽媽執行了一個ABA操作）。 （4）爸爸7點看到水杯還是滿的（不知道是媽媽又灌滿的），於是給兒子喝了1/3（水量變成D） （5）那在中午之前，兒子喝了1/2+1/3= 5/6的水，這不是媽媽期望的，因為媽媽只想讓兒子中午之前喝半杯水。 這個場景的ABA問題帶來的後果就是本來只用喝1/2的水，結果喝了5/6的水。 ### 2.我們再想象一下電商中的場景 （1）商品Y的庫存是10（A） （2）使用者m購買了5件（B） （3）運營人員乙補貨5件（A）（乙執行了一個ABA操作） （4）運營人員甲看到庫存還是10，就認為一件也沒有賣出去（不考慮交易記錄），其實已經賣出去了5件。 **那我們怎麼解決原子引用的問題呢？** 可以用加版本號的方式來解決兩個A相同的問題，比如上面的積木案例，我們可以給兩個三角形都打上一個版本號的標籤，如A1和A2，在第六步中，形狀和版本號一致甲才可以進行替換，因形狀都是三角形，而版本號一個1，一個是2，所以不能進行替換。  在Java程式碼中，我們可以用原子時間戳引用型別：`AtomicStampedReference` ## 六、帶版本號的原子引用型別 ### 1.我們看一看這個原子類`AtomicStampedReference`的底層程式碼 比較並替換方法`compareAndSet` ```java 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))); } ``` `expectedReference`：期望值 `newReference`：替換值 `expectedStamp`：期望版本號 `newStamp`：替換版本號 先比較期望值expectedReference和當前值是否相等，以及期望版本號和當前版本號是否相等，如果兩者都相等，則表示沒有被修改過，可以進行替換。 ### 2.如何使用AtomicStampedReference？  **（1）先定義3個積木：三角形A，四邊形B，五邊形D** ```java // 初始化一個積木物件A，形狀為三角形 BuildingBlock A = new BuildingBlock("三角形"); // 初始化一個積木物件B，形狀為四邊形，乙會將三角形替換成四邊形 BuildingBlock B = new BuildingBlock("四邊形"); // 初始化一個積木物件B，形狀為四邊形，乙會將三邊形替換成五邊形 BuildingBlock D = new BuildingBlock("五邊形"); ``` **（2）建立一個原子引用型別的例項 atomicReference** ``` java // 傳遞兩個值，一個是初始值，一個是初始版本號 AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(A, 1); ``` **（3）建立一個執行緒“乙”執行ABA操作** ```java new Thread(() -> { // 獲取版本號 int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本號" + stamp); // 暫停執行緒“乙”1秒鐘，使執行緒“甲”可以獲取到原子引用的版本號 try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } /* * 乙執行緒開始ABA替換 * */ // 1.比較並替換，傳入4個值，期望值A，更新值B，期望版本號，更新版本號 atomicStampedReference.compareAndSet(A, B, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第二次版本號" + atomicStampedReference.getStamp()); //乙 第一次版本號1 // 2.比較並替換，傳入4個值，期望值B，更新值A，期望版本號，更新版本號 atomicStampedReference.compareAndSet(B, A, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1); // 乙 第二次版本號2 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第三次版本號" + atomicStampedReference.getStamp()); // 乙 第三次版本號3 }, "乙").start(); ``` 1）乙先獲取原子類的版本號，第一次獲取到的版本號為1 2）暫停執行緒“乙”1秒鐘，使執行緒“甲”可以獲取到原子引用的版本號 3）比較並替換，傳入4個值，期望值A，更新值B，期望版本號stamp，更新版本號stamp+1。A被替換為B，當前版本號為2 4）比較並替換，傳入4個值，期望值B，更新值A，期望版本號getStamp()，更新版本號getStamp()+1。B替換為A，當前版本號為3 **（4）建立一個執行緒“甲”執行D替換A操作** ```java new Thread(() -> { // 獲取版本號 int stamp = atomicStampedReference.getStamp(); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本號" + stamp); // 甲 第一次版本號1 // 暫停執行緒“甲”3秒鐘，使執行緒“乙”進行一次ABA替換操作 try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(A,D,stamp,stamp + 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 修改成功否" + result + "\t 當前最新實際版本號：" + atomicStampedReference.getStamp()); // 甲 修改成功否false 當前最新實際版本號：3 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 當前實際最新值：" + atomicStampedReference.getReference()); // 甲 當前實際最新值：BuildingBlock{shape='三角形} }, "甲").start(); ``` （1）甲先獲取原子類的版本號，版本號為1，因為乙執行緒還未執行ABA，所以甲獲取到的版本號和乙獲取到的版本號一致。 （2）暫停執行緒“甲”3秒鐘，使執行緒“乙”進行一次ABA替換操作 （3）乙執行完ABA操作後，執行緒甲執行比較替換，期望為A，實際是A，版本號期望值是1，實際版本號是3 （4）雖然期望值和實際值都是A，但是版本號不一致，所以甲不能將A替換成D，這個就避免了ABA的問題。 **小結：** 帶版本號的原子引用類可以利用CAS+版本號來比較變數是否被修改。 ## 總結 本篇分析了ABA產生的原因，然後又列舉了生活中的兩個案例來分析ABA的危害。然後提出了怎麼解決ABA問題：用帶版本號的原子引用類AtomicStampedReference。 限於篇幅和側重點，CAS的優化並沒有涉及到，後續再倒騰這一塊吧。另外AtomicStampedReference的缺點本篇本沒有進行講解，限於筆者的技術水平原因，並沒有一一作答，期待後續能補上這一塊的解答。 我是悟空，一隻努力變強的碼農！我要變身超級賽亞人啦！  > 另外可以搜尋「悟空聊架構」或者PassJava666，一起進步！ > 我的[GitHub主頁](https://github.com/Jackson0714)，關注我的`Spring Cloud` 實戰專案[《佳必過》](https://github.com/Jackson0714/PassJava-Platform) # 公眾號 ![mark](http://cdn.jayh.club/blog/20200404/GU60Sv47XT7J.png?im