Java面试题之CAS和ABA问题

一、原子操作

原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序不能被打乱，也不可以被切割而只执行其中的一部分(不可中断性)。将整个操作视为一个整体，资源在该次操作中保持一致，这是原子性的核心特征。

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二、CAS(Compare And Swap)

1、CAS概述

CAS属于硬件同步原语，处理器提供了基本内存操作的原子性保证。

CAS操作需要输入两个数值，一个旧值A(期望操作前的值)和一个新值B，在操作期间先对旧值进行比较，若没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。

Java中的sum.misc.Unsafe类，提供了compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个方法实现CAS。

2、CAS加自旋实现原子性操作示例

public class CustomAtomicCounter {
    
    

	private volatile int i = 0;
	private static Unsafe unsafe = null;
	private static long valueOffset;

	static {
    
    
		try {
    
    
			Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
			field.setAccessible(true);
			unsafe = (Unsafe) field.get(null);
			valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(CustomAtomicCounter.class.getDeclaredField("i"));
		} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
    
    
			e.printStackTrace();
		}
	}

	public void add() {
    
    
		int current = 0;
		do {
    
    
			current = unsafe.getIntVolatile(this, valueOffset);
		} while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, current, current + 1));

	}

	public int getValue() {
    
    
		return i;
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    
    
		CustomAtomicCounter counter = new CustomAtomicCounter();
		for (int count = 0; count < 10000; count++) {
    
    
			new Thread(() -> {
    
    
				counter.add();
			}).start();
		}

		Thread.sleep(3000L);
		System.out.println(counter.getValue());
	}
}

备注：可以看到控制台输出为10000。

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三、CAS的三个小问题

CAS若使用不当，会引发如下三个小问题：

• 循环 + CAS，自旋的实现让所有线程都处于高频运行，争抢CPU执行时间的状态。如果操作不成功，会带来很大的CPU资源消耗。
• 仅针对单个变量的操作，不能用于多个变量实现原子操作。
• ABA问题。

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四、ABA问题

1、ABA问题详解

先看下面这幅图：

上图中thread1经过CAS操作之后把i的值从0改为1，最终又改回了1，而thread2在等待thread1执行完操作后，接着又通过CAS操作将值改为了1。

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备注：其实i的值实际上已经被修改过了，这个时候的i已经不是之前的了，一句话，已经被用过了。

2、ABA问题示例之不安全的栈

这里我们以数据结构栈(先进后出)为示例，展现ABA问题，不安全的栈代码示例如下：

public class Node {
    
    

	public final String value;
	public Node next;

	public Node(String value) {
    
    
		this.value = value;
	}

	@Override
	public String toString() {
    
    
		return "Node[" + "value='" + value + '\'' + ']';
	}
}

public class UnsafeStack {
    
    

 private AtomicReference<Node> top = new AtomicReference<>();

 /**
  * 入栈
  * @param node
  */
 public void push(Node node) {
    
    
  Node oldTop = null;
  do {
    
    
   oldTop = top.get();
   node.next = oldTop;
  } while (!top.compareAndSet(oldTop, node)); // CAS操作替换栈顶
 }

 public Node pop(int timeInMillis) {
    
    
  Node newTop = null;
  Node oldTop = null;
  do {
    
    
   oldTop = top.get();
   if (oldTop == null) {
    
    
    return null;
   }

   newTop = oldTop.next;
   // 模拟延时
   if (timeInMillis > 0) {
    
    
    LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * timeInMillis);
   }
  } while (!top.compareAndSet(oldTop, newTop)); // CAS操作替换栈顶
  return oldTop;
 }

 public Node peek() {
    
    
  return top.get();
 }
}

3、代码测试用例

这里我们用两个线程模拟入栈和出栈的动作，操作步骤如下：

1. 主线程：先对栈进行初始化，B入栈 → A入栈，栈顶指向A。
2. 线程2：A出栈 → B出栈 → D入栈 → C入栈 → A再次入栈，栈顶仍然指向A。
3. 线程1：A出栈。

public class AbaProblemExample {
    
    

	public static void main(String[] args) {
    
    
		UnsafeStack stack = new UnsafeStack();
		stack.push(new Node("B")); // B入栈
		stack.push(new Node("A")); // A入栈

		Thread thread1 = new Thread(() -> {
    
    
			// A出栈
			Node node = stack.pop(500);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + node);
		});
		thread1.start();

		Thread thread2 = new Thread(() -> {
    
    
			LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 300);
			// A出栈
			Node nodeA = stack.pop(0);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + nodeA);

			// B出栈
			Node nodeB = stack.pop(0);
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + nodeB);

			stack.push(new Node("D"));
			stack.push(new Node("C"));
			// A再次入栈，因此栈顶依然是A
			stack.push(nodeA);

		});
		thread2.start();

		// 休眠两秒
		LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * 1000 * 2);

		System.out.println("开始遍历UnsafeStack:");
		Node node = null;
		while ((node = stack.pop(0)) != null) {
    
    
			System.out.println(node);
		}
	}
}

运行测试用例，控制台输出如下：

Thread-1 Node[value='A']
Thread-1 Node[value='B']
Thread-0 Node[value='A']
开始遍历UnsafeStack:
Node[value='B']

备注：其实栈中的内容已经被thread2修改过了，栈中的内容从栈顶到栈底应该为 C → D，理论上遍历栈的输出应该为：Node[value='C']，Node[value='D']。

4、ABA问题解决方案之线程安全的栈

其实ABA问题也容易解决，带上版本号就行了。虽然值还是原来的值，被用过了，但是我们可以记录被用过的次数。

基于版本号实现的线程安全的栈如下：

public class ConcurrentStack {
    
    

	private AtomicStampedReference<Node> top = new AtomicStampedReference<>(null, 0);

	/**
	 * 入栈
	 * @param node
	 */
	public void push(Node node) {
    
    
		Node oldTop = null;
		int version = 0;
		do {
    
    
			version = top.getStamp();
			oldTop = top.getReference();
			node.next = oldTop;
		} while (!top.compareAndSet(oldTop, node, version, version + 1)); // CAS操作替换栈顶
	}

	public Node pop(int timeInMillis) {
    
    
		Node newTop = null;
		Node oldTop = null;
		int version = 0;
		do {
    
    
			oldTop = top.getReference();
			version = top.getStamp();
			if (oldTop == null) {
    
    
				return null;
			}

			newTop = oldTop.next;
			// 模拟延时
			if (timeInMillis > 0) {
    
    
				LockSupport.parkNanos(1000 * 1000 * timeInMillis);
			}
		} while (!top.compareAndSet(oldTop, newTop, version, version + 1)); // CAS操作替换栈顶
		return oldTop;
	}

	public Node peek() {
    
    
		return top.getReference();
	}
}

再次运行AbaProblemExample测试用例，将其中的UnsafeStack替换为ConcurrentStack即可，控制台输出如下：

Thread-1 Node[value='A']
Thread-1 Node[value='B']
Thread-0 Node[value='A']
开始遍历UnsafeStack:
Node[value='C']
Node[value='D']

备注：可以看到加上版本号后，再次模拟出入栈，我们的遍历结果是正确的。