Java併發的CAS原理與ABA問題

CAS原理

在計算機科學中，比較和交換（Compare And Swap）是用於實現多線程同步的原子指令。 它將內存位置的內容與給定值進行比較，只有在相同的情況下，將該內存位置的內容修改爲新的給定值。 這是作爲單個原子操作完成的。 原子性保證新值基於最新信息計算; 如果該值在同一時間被另一個線程更新，則寫入將失敗。 操作結果必須說明是否進行替換; 這可以通過一個簡單的布爾響應（這個變體通常稱爲比較和設置），或通過返回從內存位置讀取的值來完成（摘自維基本科）

CAS流程

以AtomicInteger.addAndGet()爲例講解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的源碼中

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

這裏的VALUE是在該類初始化的時候獲取到的，理解一下就是這時候我們調用unsafe的objectFieldOffset從Atomic類文件中獲取value的偏移量，那麼VALUE其實就是記錄value的偏移量的。
VALUE準確的是value這個字段相對與AtomicInteger這個對象內存起始地址的偏移量，由於這個方法的最底層是JNI調用native的方法，所以需要傳入這個值。

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

繼續往下執行：

/**
 * 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內的value和expect相等，就證明沒有其他線程改變過這個變量，那麼就更新它爲update，如果這一步的CAS沒有成功，那就採用自旋的方式繼續進行CAS操作。從代碼中看着也是兩個步驟，但其實在JNI裏是藉助於一個CPU指令完成的，實際還是原子操作。

ABA問題

產生ABA問題的原因

CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。這就是CAS的ABA問題。

如何規避ABA問題

常用的辦法是在更新數據的時候加入版本號，以版本號來控制更新。