Java并发必知必会第三弹:用积木讲解ABA原理
作者介绍
悟空聊架构
种树比较好的时间是十年前,其次是现在。
自主开发了Java学习平台、PMP刷题小程序。目前主修Java
、多线程
、SpringBoot
、SpringCloud
、k8s
。
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本篇主要内容如下
一、背景
上一节我们讲了程序员深夜惨遭老婆鄙视,原因竟是CAS原理太简单?,留了一个彩蛋给大家,ABA问题是怎么出现的,为什么不是AAB拖拉机,AAA金花,4个A炸弹 ?这一篇我们再来揭开ABA的神秘面纱。
二、面试连环炮
面试的时候我们也经常遭遇面试官的连环追问:
CAS概念? Unsafe类是干啥用的? CAS底层实现是怎么样的 ABA问题什么场景下会出现? ABA有什么危害? 原子引用更新是啥? 如何避免ABA问题?
三、用积木讲解ABA问题
案例:甲看见一个三角形积木,觉得不好看,想替换成五边形,但是乙想把积木替换成四边形。(前提条件,只能被替换一次)
可能出现的过程如上图所示:
第一步:乙先抢到了积木,将 三角形A
积木替换成五角星B1
第二步:乙将 五角星B1
替换成五边形B2
第三步:乙将 五边形B2
替换成棱形B3
第四步:乙将 棱形B3
替换成六边形B4
第五步:乙将 六边形B4
替换成三角形A
第六步:甲看到积木还是三角形,认为乙没有替换,甲可以进行替换 第七步:甲将 三角形V
替换成了五边形B
**讲解:**第一步到第五步,都是乙在替换,但最后还是替换成了三角形(即是不是同一个三角形),这个就是ABA,A指最开始是三角形,B指中间被替换的B1/B2/B3/B4,第二个A就是第五步中的A,中间不论经过怎么样的形状替换,最后还是变成了三角形。然后甲再将A2和A1进行形状比较,发现都是三角形,所以认为乙没有动过积木,甲可以进行替换。这个就是比较并替换(CAS)中的ABA问题。
**小结:**CAS只管开头和结尾,中间过程不关心,只要头尾相同,则认为可以进行修改,而中间过程很可能被其他人改过。
四、用原子引用类演示ABA问题
AtomicReference
:原子引用类
1.首先我们需要定义一个积木类
/**
积木类
* @author: 悟空聊架构
* @create: 2020-08-25
*/
class BuildingBlock {
String shape;
public BuildingBlock(String shape) {
this.shape = shape;
}
@Override
public String toString() {
return "BuildingBlock{" + "shape='" + shape + '}';
}
}
2.定义3个积木:三角形A,四边形B,五边形D
static BuildingBlock A = new BuildingBlock("三角形");
// 初始化一个积木对象B,形状为四边形
static BuildingBlock B = new BuildingBlock("四边形");
// 初始化一个积木对象D,形状为五边形
static BuildingBlock D = new BuildingBlock("五边形");
初始化原子引用类
static AtomicReference<BuildingBlock> atomicReference = new AtomicReference<>(A);
4.线程“乙”执行ABA操作
new Thread(() -> {// 初始化一个积木对象A,形状为三角形
atomicReference.compareAndSet(A, B); // A->B
atomicReference.compareAndSet(B, A); // B->A
},
5.线程“甲”执行比较并替换
new Thread(() -> {// 初始化一个积木对象A,形状为三角形
try {
// 睡眠一秒,保证t1线程,完成了ABA操作
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 可以替换成功,因为乙线程执行了A->B->A,形状没变,所以甲可以进行替换。
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(A, D) + "\t" + atomicReference.get()); // true BuildingBlock{shape='五边形}
}, "甲").start();
**输出结果:**true BuildingBlock{shape='五边形}
**小结:**当线程“乙”执行ABA之后,线程“甲”比较后,发现预期值和当前值一致,将三角形替换成了五边形。
五、那ABA到底有什么危害?
我们看到乙不管怎么进行操作,甲看到的还是三角形,那甲当成乙没有改变积木形状 又有什么问题呢?
出现的问题场景通常是带有消耗类的场景,比如库存减少,商品卖出。
1.我们想象一下生活中的这个喝水场景:
(1)一家三口人,爸爸、妈妈、儿子。
(2)一天早上6点,妈妈给儿子的水杯灌满了水(水量为A),儿子先喝了一半(水量变成B)。
(3)然后妈妈把水杯又灌满了(水量为A),等中午再喝(妈妈执行了一个ABA操作)。
(4)爸爸7点看到水杯还是满的(不知道是妈妈又灌满的),于是给儿子喝了1/3(水量变成D)
(5)那在中午之前,儿子喝了1/2+1/3= 5/6的水,这不是妈妈期望的,因为妈妈只想让儿子中午之前喝半杯水。
这个场景的ABA问题带来的后果就是本来只用喝1/2的水,结果喝了5/6的水。
2.我们再想象一下电商中的场景
(1)商品Y的库存是10(A)
(2)用户m购买了5件(B)
(3)运营人员乙补货5件(A)(乙执行了一个ABA操作)
(4)运营人员甲看到库存还是10,就认为一件也没有卖出去(不考虑交易记录),其实已经卖出去了5件。
那我们怎么解决原子引用的问题呢?
可以用加版本号的方式来解决两个A相同的问题,比如上面的积木案例,我们可以给两个三角形都打上一个版本号的标签,如A1和A2,在第六步中,形状和版本号一致甲才可以进行替换,因形状都是三角形,而版本号一个1,一个是2,所以不能进行替换。
在Java代码中,我们可以用原子时间戳引用类型:AtomicStampedReference
六、带版本号的原子引用类型
1.我们看一看这个原子类AtomicStampedReference
的底层代码
比较并替换方法compareAndSet
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> 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
:替换值
expectedStamp
:期望版本号
newStamp
:替换版本号
先比较期望值expectedReference和当前值是否相等,以及期望版本号和当前版本号是否相等,如果两者都相等,则表示没有被修改过,可以进行替换。
2.如何使用AtomicStampedReference?
(1)先定义3个积木:三角形A,四边形B,五边形D
// 初始化一个积木对象A,形状为三角形
BuildingBlock A = new BuildingBlock("三角形");
// 初始化一个积木对象B,形状为四边形,乙会将三角形替换成四边形
BuildingBlock B = new BuildingBlock("四边形");
// 初始化一个积木对象B,形状为四边形,乙会将三边形替换成五边形
BuildingBlock D = new BuildingBlock("五边形");
(2)创建一个原子引用类型的实例 atomicReference
// 传递两个值,一个是初始值,一个是初始版本号
AtomicStampedReference<BuildingBlock> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(A, 1);
(3)创建一个线程“乙”执行ABA操作
new Thread(() -> {
// 获取版本号
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp);
// 暂停线程“乙”1秒钟,使线程“甲”可以获取到原子引用的版本号
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
/*
* 乙线程开始ABA替换
* */
// 1.比较并替换,传入4个值,期望值A,更新值B,期望版本号,更新版本号
atomicStampedReference.compareAndSet(A, B, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第二次版本号" + atomicStampedReference.getStamp()); //乙 第一次版本号1
// 2.比较并替换,传入4个值,期望值B,更新值A,期望版本号,更新版本号
atomicStampedReference.compareAndSet(B, A, atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1); // 乙 第二次版本号2
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第三次版本号" + atomicStampedReference.getStamp()); // 乙 第三次版本号3
}, "乙").start();
1)乙先获取原子类的版本号,第一次获取到的版本号为1
2)暂停线程“乙”1秒钟,使线程“甲”可以获取到原子引用的版本号
3)比较并替换,传入4个值,期望值A,更新值B,期望版本号stamp,更新版本号stamp+1。A被替换为B,当前版本号为2
4)比较并替换,传入4个值,期望值B,更新值A,期望版本号getStamp(),更新版本号getStamp()+1。B替换为A,当前版本号为3
(4)创建一个线程“甲”执行D替换A操作
new Thread(() -> {
// 获取版本号
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 第一次版本号" + stamp); // 甲 第一次版本号1
// 暂停线程“甲”3秒钟,使线程“乙”进行一次ABA替换操作
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 当前最新实际版本号:" + atomicStampedReference.getStamp()); // 甲 修改成功否false 当前最新实际版本号:3
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 当前实际最新值:" + atomicStampedReference.getReference()); // 甲 当前实际最新值:BuildingBlock{shape='三角形}
}, "甲").start();
(1)甲先获取原子类的版本号,版本号为1,因为乙线程还未执行ABA,所以甲获取到的版本号和乙获取到的版本号一致。
(2)暂停线程“甲”3秒钟,使线程“乙”进行一次ABA替换操作
(3)乙执行完ABA操作后,线程甲执行比较替换,期望为A,实际是A,版本号期望值是1,实际版本号是3
(4)虽然期望值和实际值都是A,但是版本号不一致,所以甲不能将A替换成D,这个就避免了ABA的问题。
小结: 带版本号的原子引用类可以利用CAS+版本号来比较变量是否被修改。
总结
本篇分析了ABA产生的原因,然后又列举了生活中的两个案例来分析ABA的危害。然后提出了怎么解决ABA问题:用带版本号的原子引用类AtomicStampedReference。
限于篇幅和侧重点,CAS的优化并没有涉及到,后续再倒腾这一块吧。另外AtomicStampedReference的缺点本篇本没有进行讲解,限于笔者的技术水平原因,并没有一一作答,期待后续能补上这一块的解答。
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