大白话之必会 Java Atomic | 线程一点也不安全（二）：Atomic 的 ABA 问题会导致什么情况？如何解决？

前言

第一章还没看过？点我可以穿越

阅读本篇文章，你需要了解以下知识：

• Atomic 是什么？（点此跳转）
• 单向链表的原理

从上一章的内容，我们可以了解到，Atomic 可以基本解决线程同步安全的问题。而本章我们将讨论 Atomic 的缺点与它的原子性。

ABA 问题

什么是 ABA问题？首先我们都知道，Atomic 的 CAS 模型，会先读取变量的值，作为预期旧值，然后再基于旧值产生操作生成新值，再确认变量是否为预期旧值，如果是，修改为新值。

我们以单向链表来演示 ABA 会导致的问题：

解决 ABA 问题

现在我们知道了，由于 Atomic 仅判断了 旧值，但并没有意识到整个链表已经被修改过一次了。所以我们要引入一个新的概念：

版本

Atomic 在修改值时，保存的不仅再是旧值，还有一个版本号。在每次更改后，版本号都会变化，这样就不会再产生 ABA 问题了。我们看图：

AtomicStampedReference

Atomic 的开发者自然也意识到了这个问题，并后续开发了 AtomicStampedReference 来修复这个问题。我们用一段简单的代码来实现：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        /*
        实例化有版本标记的Atomic类
        传参1：初始化版本
        传参2：初始化值
         */
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(1, 66);
        /*
        打印值
        getStamp()方法获取当前值
         */
        System.out.println("当前值：" + atomicStampedReference.getStamp() + " 当前版本：" + atomicStampedReference.getReference());
        /*
        使用compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp,mint newStamp)方法修改值
        传参1：预期中的版本
        传参2：如果修改时预期中的版本和旧值正确，则修改为指定版本
        传参3：预期中的旧值
        传参4：如果修改时预期中的版本和旧值正确，则修改为指定值
         */
        System.out.println(
                atomicStampedReference.compareAndSet(
                1,
                2,
                atomicStampedReference.getStamp(),
                atomicStampedReference.getStamp() + 22
                 )
        );
        //再次打印值
        System.out.println("当前值：" + atomicStampedReference.getStamp() + " 当前版本：" + atomicStampedReference.getReference());
    }
}

得到结果：

当前值：66 当前版本：1
true
当前值：88 当前版本：2

实现源码（选读）

让我们来看看，我们用来修改值的 compareAndSet() 方法是如何实现的：

默认构造方法

    /**
     * Creates a new {@code AtomicStampedReference} with the given
     * initial values.
     *
     * @param initialRef the initial reference
     * @param initialStamp the initial stamp
     */
    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
	//生成新的集合并存储
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
    }

当我们实例化 AtomicStampedReference 时，这段代码会执行。Pair 是一个集合，用于存储 预期值 和 预期版本。

compareAndSet

    /**
     * Atomically sets the value of both the reference and stamp
     * to the given update values if the
     * current reference is {@code ==} to the expected reference
     * and the current stamp is equal to the expected stamp.
     *
     * @param expectedReference the expected value of the reference
     * @param newReference the new value for the reference
     * @param expectedStamp the expected value of the stamp
     * @param newStamp the new value for the stamp
     * @return {@code true} if successful
     */
    public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
	//生成一个新的集合，用于和存储的集合对比
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            //短路与，如果上方存储的预期值相等，则执行下方内容（赋予新值和新版本），并返回true
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
		//如果修改失败，则使用CAS
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

后语

自 JDK5 版本开始，新增了 AtomicStampedReference，它能利用版本戳很好地解决 ABA问题。

但相对的，AtomicStampedReference 可能会对内存空间和性能产生一些小的影响，当大量线程访问相同的原子值时，性能会大幅下降。所以 JDK8 增加了 LongAdder 和 LongAccumulator 类以解决这个问题。

至于 Atomic 拥有 原子性，原因是 Atomic 修改值的过程非常严谨，不会被打断，所以总能得到预期的值。