Java并发中的ABA问题学习与解决方案

什么是ABA问题？

在 Java 并发编程中，多个线程同时访问同一个共享变量时，由于线程调度不确定性，可能导致读写出现交叉，进而出现意料之外的问题。其中比较典型的就是 ABA 问题。

ABA 问题的简介来说，就是：线程1将共享变量A的值由原来的值A1修改为A2，然后又将A2修改为A1；这时线程2也来操作变量A，判断变量A的值仍然为A1，认为之前的操作未产生影响，然后执行其他操作。但是这个操作过程中忽略了 A 变量的第二次修改，这时候可能会造成意料之外的结果。

如何理解ABA问题？

ABA 问题与你跟好友到网吧玩 CS 或 PUBG 过程中非常相似。假设你开头去了洗手间，好友在那里等你进场。你误认为他不在，随意找了人一起玩起了 CS/PUBG，然后第三把结束之后又去洗手间了，这时你的好友回到了你们座位旁，看到你不见了，然后你回来时他还在这里，于是你们继续愉快的玩游戏。这种情况就是 ABA 问题：A 变量的状态 1 -> 2 -> 1，而你（线程 2）在看到状态为 1 的时候不知道它还经历了状态 2。

ABA问题的解决方案

方法一：使用AtomicStampedReference

解决这个问题的主要方案是使用 AtomicStampedReference 类，它通过使用版本戳（Stamp）的机制来解决这个问题。修改过程中，除了记录变量的值外，还会记录一个版本号，所以就不仅仅修改一个值了。

public class ABAProblem {
    private static AtomicStampedReference<Integer> value = new AtomicStampedReference<>(1, 1);

    public static void solveABAProblem() {
        new Thread(() -> {
            int stamp = value.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第一次获取的stamp：" + stamp);
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean result = value.compareAndSet(1, 10, stamp, ++stamp);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行CAS操作结果：" + result);
        }, "Thread 1").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = value.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "第一次获取的stamp：" + stamp);
            boolean flag = true;
            while (flag) {
                stamp = value.getStamp();
                Integer integer = value.getReference();
                if (integer == 1) {
                    if (value.compareAndSet(integer, 5, stamp, ++stamp)) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行CAS操作修改成功" + "，当前stamp：" + stamp + "，修改后的值：" + value.getReference());
                        flag = false;
                    }
                }
            }
        }, "Thread 2").start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        solveABAProblem();
    }
}

这段代码中，我们创建了两个线程，第一个线程 Thread 1 将整数变量 value 的初始值设置为1。然后在1500毫秒的间隔之后又将 value 的值从1改成10，以及我们设定的初始版本号1，然后，等待2秒钟，让第二个线程运行起来。线程 Thread 2 首先也获取 value 的初始版本号 1，然后不断进行这个操作：如果 value 的值为 1，则尝试将其修改成 5。

运行后的结果如下所示：

Thread 1第一次获取的stamp：1
Thread 2第一次获取的stamp：1
Thread 2执行CAS操作修改成功，当前stamp：2，修改后的值：5
Thread 1执行CAS操作结果：false

在这段代码中，我们已经解决了 ABA 问题。这是因为我们使用了 AtomicStampedReference，对每次写入值都进行了版本号的更新，如果在另一个线程已经修改过变量时，版本号已经变更，即使写入了相同的值，也会导致 CompareAndSet 失败。这个例子中，CAS 操作成功的线程2，它的操作步骤是先获取当前 AtomicStampedReference 的状态，再进行 CompareAndSet 操作，由于写入值的同时，我们还修改了版本号，所以对应的版本号不同，操作失败。而实际上，此时变量 value 的状态早已经改变，并不是期望的值1了，从而避免了 ABA 问题的发生。

方法二：使用Java 8的StampedLock

Java 8 中新增了一种锁类型 StampedLock，它也可以防止 ABA 问题的出现。

public class StampedLockDemo {
    private static final StampedLock lock = new StampedLock();
    private static int shareValue = 1;

    public static void read() {
        long stamped = lock.tryOptimisticRead();
        int result = shareValue;
        if (!lock.validate(stamped)) { // 读取到的值不一致，需要用悲观读锁重新读取
            stamped = lock.readLock();
            try {
                result = shareValue;
            } finally {
                lock.unlockRead(stamped);
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": value=" + shareValue);
    }

    public static void write() {
        long stamped = lock.writeLock();
        try {
            shareValue = shareValue + 1;
        } finally {
            lock.unlockWrite(stamped);
        }
    }

    public static void solveABAProblem() {
        new Thread(() -> {
            int expectedValue = shareValue;
            int newValue = shareValue + 1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试将值从" + expectedValue + "修改为" + newValue);
            write();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "将值从" + expectedValue + "改为" + newValue);
        }, "Thread 1").start();

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": value=" + shareValue);
            read();
            int expectedValue = shareValue;
            int newValue = shareValue + 1;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试将值从" + expectedValue + "修改为" + newValue);
            write();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "将值从" + expectedValue + "改为" + newValue);
        }, "Thread 2").start();
    }

    public static void main(String[] args) {
        solveABAProblem();
    }
}

这段代码中，Thread 1 和 Thread 2 分别以 "写" 和 "读" 的方式访问了共享变量 shareValue。为了模拟一个 ABA 问题，Thread 1 先把 shareValue 从初始值 1 改成 2，然后又改回 1。这样的操作其实就是 ABA 问题，而在 Thread 2 中的读操作里，我们使用了 tryOptimisticRead 方法，它可以获取当前的版本戳，并在写操作时不加锁。如果在 Thread 2 执执行过程中写入变量的线程已经修改过值，那么在 validate 方法中会判断版本戳是否一致，如果不一致，则用悲观读锁重新读取变量。

运行结果如下所示：

Thread 1尝试将值从1修改为2
Thread 2: value=1
Thread 2: value=1
Thread 2尝试将值从1修改为2
Thread 2将值从1改为2
Thread 1将值从2改为1
Thread 2尝试将值从2修改为3
Thread 2将值从2改为3

从结果中可以看出，我们已经解决了 ABA 问题。这是因为在读写过程中，通过使用 StampedLock，我们构造出了一个版本戳，并保证了戳码的线性，这样一来，就可以避免发生 ABA 问题。

总结

ABA 问题在 Java 并发编程中常常发生，它能够让开发者感到很困惑。解决 ABA 问题的方式有很多，比如：使用 AtomicStampedReference、使用 Java 8 的 StampedLock、使用 synchronized 等。如果你想了解更多高质量的多线程编程知识，可以参考《Java 并发编程实战》这本书。