Java并发的CAS原理与ABA问题的讲解

CAS原理

在计算机科学中，比较和交换（Compare And Swap）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进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。 这是作为单个原子操作完成的。 原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新，则写入将失败。 操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应（这个变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值来完成（摘自维基本科）

CAS流程

以AtomicInteger.addAndGet()为例讲解CAS

javadoc

public final int addAndGet​(int delta)
Atomically adds the given value to the current value, with memory effects as specified by VarHandle.getAndAdd(java.lang.Object…).
Parameters:
delta - the value to add
Returns:
the updated value

在Java的源码中

public final int addAndGet(int delta) {
  return U.getAndAddInt(this, VALUE, delta) + delta;
}

这里的VALUE是在该类初始化的时候获取到的，理解一下就是这时候我们调用unsafe的objectFieldOffset从Atomic类文件中获取value的偏移量，那么VALUE其实就是记录value的偏移量的。

VALUE准确的是value这个字段相对与AtomicInteger这个对象内存起始地址的偏移量，由于这个方法的最底层是JNI调用native的方法，所以需要传入这个值。

private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

继续往下执行：

/**
 * Atomically adds the given value to the current value of a field
 * or array element within the given object {@code o}
 * at the given {@code offset}.
 * @param o object/array to update the field/element in
 * @param offset field/element offset
 * @param delta the value to add
 * @return the previous value
 * @since 1.8
 **/
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
  int v;
  do {
    v = getIntVolatile(o, offset);
  } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
  return v;
}

@HotSpotIntrinsicCandidate
public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,
                     int expected,
                     int x) {
  return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);
}

如果obj内的value和expect相等，就证明没有其他线程改变过这个变量，那么就更新它为update，如果这一步的CAS没有成功，那就采用自旋的方式继续进行CAS操作。从代码中看着也是两个步骤，但其实在JNI里是借助于一个CPU指令完成的，实际还是原子操作。

ABA问题

产生ABA问题的原因

CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。这就是CAS的ABA问题。

如何规避ABA问题

常用的办法是在更新数据的时候加入版本号，以版本号来控制更新。

总结

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