经典的ABA问题与解决方法

针对ABA问题做了一下总结和尝试解决

背景

在学习乐观锁、悲观锁时，了解到CAS是一种乐观锁的实现，但是从博客中看到说CAS会存在ABA问题，于是就搜索了一番。

什么是ABA问题

来自blog 考虑如下操作： 并发1（上）：获取出数据的初始值是A，后续计划实施CAS乐观锁，期望数据仍是A的时候，修改才能成功 并发2：将数据修改成B 并发3：将数据修改回A 并发1（下）：CAS乐观锁，检测发现初始值还是A，进行数据修改 上述并发环境下，并发1在修改数据时，虽然还是A，但已经不是初始条件的A了，中间发生了A变B，B又变A的变化，此A已经非彼A，数据却成功修改，可能导致错误，这就是CAS引发的所谓的ABA问题。

这个应该就是产生ABA问题的真正原因。

ABA问题的举例

看了几篇讲述ABA问题的博客，如下描述。

1. 某人取款，由于机器不太好使，多点了几次取款操作。后台threadA和threadB工作，此时threadA操作成功(100->50)，threadB阻塞。正好某人朋友打款50元给小牛(50->100)，threadC执行成功，之后threadB运行了，又改为(100->50)。 lz钱哪去了？？？来自blog

个人觉得这里threadB后来继续运行后，总共是会取出两次钱的。

2. 假设有个线程A去判断账户里的钱此时是15，满足条件，直接+20，这时候卡里余额是35。但是此时不巧，正好在连锁店里，这个客人正在消费，又消费了20，此时卡里余额又为15，线程B去执行扫描账户的时候，发现它又小于20，又用过cas给它加了20，这样的话就相当于加了两次，这样循环往复肯定把老板的钱就坑没了！来自blog

个人觉得评论中这个例子更合适，但不知道该如何在代码中复现，所以还是按照上述的逻辑进行了复现。 A线程首先获取余额是15，然后准备加上20，在A线程还没提交的时候，此时B线程进入，将余额加上20并且成功提交，此时余额为35。但是紧接着用户又消费了20，所以余额还是15，终于A线程获取到了时间片，它比对之后发现余额还是15，所以A线程就执行了。

ABA问题的本质

ABA问题的根本在于CAS在修改变量的时候，无法记录变量的状态，比如修改的次数，是否修改过这个变量。这样就很容易在一个线程将A修改成B时，另一个线程又会把B修改成A,造成CAS多次执行的问题。

示例

来自blog 一家火锅店为了生意推出了一个特别活动，凡是在五一期间的老用户凡是卡里余额小于20的，赠送20元，但是这种活动每人只可享受一次。然后火锅店的后台程序员小王开始工作了，很简单就用CAS技术，先取用户卡里的余额，然后包装成AtomicInteger，写一个判断，开启10个线程，然后判断小于20的，一律加20，然后就很开心的交差了。

多线程增加20余额时，同时有消费线程做扣减，就有可能(不是每次都会出现)出现下图所示。 add线程0通过CAS增加余额，consume线程0通过CAS减少余额后，add线程2又通过CAS增加余额。

代码如下

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class AtomicStampReferenceDemo {

    static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(19, 0);

    static AtomicInteger amount = new AtomicInteger(19);

    public static void main(String[] args) {

        /*new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                provideByStamped();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                consumeByStamped();
            }
        }).start();*/

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                provide();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                consume();
            }
        }).start();
    }

    public static void provideByStamped() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread t = new Thread(new ProviderStampedThread());
            try {
                //睡眠1s
                //System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                int time = 0;
                time += (i * 0);
                Thread.sleep(time);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            t.setName("Thread-add" + i);
            t.start();
        }
    }

    public static void consumeByStamped() {
        for (int j = 0; j < 1; j++) {
            Thread t = new Thread(new ConsumerStampedThread());

            t.setName("Thread-consume" + j);
            t.start();
        }
    }

    public static void provide() {

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Thread t = new Thread(new ProviderThread());
            t.setName("Thread-add" + i);
            t.start();
        }
    }

    public static void consume() {
        for (int j = 0; j < 1; j++) {

            Thread t = new Thread(new ConsumerThread());
            t.setName("Thread-consume" + j);
            t.start();
        }
    }
    //充值线程类
    static class ProviderStampedThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            /*try {
                //睡眠1s
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }*/
            int stamp = money.getStamp();

            while (true) {

                Integer account = money.getReference();

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "时间戳" + money.getStamp() + "充值前余额" + money.getReference());

                if (account < 20) {

                    if (money.compareAndSet(account, account + 20, 0, 1)) {

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "余额小于20元，充值成功，目前余额：" + money.getReference() + "时间戳变为" + money.getStamp());
                        break;

                    } else {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已进行充值,无需充值" + "当前时间戳" + money.getStamp() + "当前余额" + money.getReference());
                        break;
                    }
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "余额大于20元,无需充值" + "当前时间戳" + money.getStamp() + "当前余额" + money.getReference());
                    break;
                }
            }
        }
    }

    //消费线程类
    static class ConsumerStampedThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {

            while (true) {
                /*try {
                    //睡眠1s
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }*/
                int timeStamp = money.getStamp();//1

                int currentMoney = money.getReference();//39

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费前时间戳" + money.getStamp() + "消费前余额" + money.getReference());
                if (currentMoney > 20) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入消费时间戳" + money.getStamp() + "进入消费余额" + money.getReference());
                    if (money.compareAndSet(currentMoney, currentMoney - 20, timeStamp, timeStamp + 1)) {

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费者成功消费20元，余额" + money.getReference() + "消费后时间戳" + money.getStamp());
                        break;
                    }
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有足够的金额");
                    break;
                }
            }

        }
    }

    //充值线程类
    static class ProviderThread implements Runnable {
        public ProviderThread() {
        }

        @Override
        public void run() {

            while (true) {

                int value = amount.get();

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "充值前余额" + amount.get());

                if (value < 20) {

                    if (amount.compareAndSet(value, value + 20)) {

                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "余额小于20元，充值成功，目前余额：" + amount.get() + "元");
                        break;

                    }
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "余额大于20元,无需充值");
                    break;
                }
            }
        }
    }

    //消费线程类
    static class ConsumerThread implements Runnable {
        public ConsumerThread() {
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {

                int currentValue = amount.get();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费前余额" + amount.get());

                if (currentValue > 20) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入消费余额" + amount.get());
                    if (amount.compareAndSet(currentValue, currentValue - 20)) {
                        {
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费者成功消费20元，余额" + amount.get());
                            break;
                        }
                    } else {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "没有足够的金额");
                        break;
                    }
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "余额不足");
                    break;
                }
            }
        }
    }
}

使用AtomicStampedReference（版本号）解决ABA问题后如下图

ProviderStampedThread充值线程类在操作数据时，必须保证其时间戳Stamp为0，才可以修改Reference值和Stamp时间戳

多线程增加20余额时，同时有消费线程做扣减。 add线程0通过CAS增加余额，consume线程0通过CAS减少余额后，add线程1由于此时Stamp不为0，所以无法通过CAS增加余额。

消费线程修改值失败，其他增加值的线程同样也是失败。

代码如下

取消注释，main函数如下

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                provideByStamped();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                consumeByStamped();
            }
        }).start();

        /*new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                provide();
            }
        }).start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                consume();
            }
        }).start();*/
    }

写到这里，收获非常多，也熟悉了CAS的相关操作和相关类。但依然还有许多不清晰的地方或者理解不正确的地方，还请大佬们多讨论指点，后续了解之后再修改补充！