CAS#

介绍#

CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）是一种 无锁并发编程的核心机制，用于实现多线程环境下的原子操作。它通过 硬件级别的原子指令 直接支持，避免了传统锁（如 synchronized）带来的线程阻塞和上下文切换开销，是高性能并发编程的基石。

核心原理#

CAS 操作包含三个关键参数：

内存地址（V）：需要更新的变量地址。
旧的预期值（A）：操作前读取到的变量值。
新值（B）：希望将变量更新为的值。

操作逻辑：

读取内存地址 V 的当前值。
比较当前值是否等于预期值A：
- 如果相等，将内存值修改为 B，返回成功。
- 如果不相等，返回失败（说明其他线程已修改过该值）。

整个过程是原子性的，由 CPU 指令（如 x86 的 CMPXCHG）直接保证，无需加锁。

工作流程#

假设线程 A 和线程 B 同时对 AtomicInteger i 执行 i++：

步骤	线程 A	线程 B	结果
1	读取 `i=5`（预期值 A=5）	读取 `i=5`（预期值 A=5）
2	尝试将 `i` 更新为 `6`（B=6）	尝试将 `i` 更新为 `6`（B=6）
3	CAS 成功，`i=6`	CAS 失败（因值已改变）	线程 B 需重试，直到成功

通过 自旋重试（循环尝试 CAS），最终保证所有线程的修改被正确应用。

优点#

无锁并发：无需阻塞线程，减少上下文切换开销，适合高并发场景。
轻量高效： CAS 是硬件级别的原子操作，性能远高于传统锁（如 synchronized）。
避免死锁：无锁机制天然避免了死锁问题。

缺点#

ABA 问题#

问题描述：若变量值从 A 变为 B 再变回 A，CAS 会误认为未被修改。例如：线程 1 读取 i=5，线程 2 修改 i=6 后又改回 i=5，线程 1 的 CAS 仍会成功。
解决方案：使用 版本号 或 时间戳 标记变量状态。 Java 中的 AtomicStampedReference 即通过版本号解决 ABA 问题。

自旋开销#

高并发场景下，若线程频繁 CAS 失败，会导致 CPU 空转，浪费资源。
优化方案：限制自旋次数（如 LongAdder 分散竞争）或退化为锁机制。

单一变量限制#

CAS 只能保证 单个变量 的原子性，无法直接支持复合操作（如 i++ 和 j++ 的原子组合）。

Java中CAS实现#

（1）`Unsafe` 类#

Java 通过 sun.misc.Unsafe 类提供 CAS 的底层操作。例如：

public final native boolean compareAndSwapInt(
    Object o, long offset, int expected, int newValue
);

offset：变量在对象中的内存偏移量。
expected：旧的预期值。
newValue：新值。

（2）原子类（AtomicInteger 示例）#

AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(5);

// CAS 操作
boolean success = atomicInt.compareAndSet(5, 6); 
// 成功返回 true，失败返回 false

（3）AtomicStampedReference 解决 ABA 问题#

AtomicStampedReference<Integer> ref = 
    new AtomicStampedReference<>(5, 0); // 初始值 5，版本号 0

// 更新时检查值和版本号
boolean success = ref.compareAndSet(5, 6, 0, 1); 
// 旧值=5，新值=6，旧版本号=0，新版本号=1

CAS适用场景#

场景	示例	替代方案
低竞争环境	计数器、状态标志	`AtomicInteger`
高并发读多写少	缓存系统	`LongAdder`
需要无锁高性能	并发队列（如 `ConcurrentLinkedQueue`）	CAS + 自旋
需避免死锁	实时系统	CAS 替代锁

总结#

CAS 是一种基于硬件支持的 无锁并发机制，通过 比较并交换 实现原子操作，避免了传统锁的性能开销。尽管存在 ABA 问题和自旋限制，但通过版本号、分散竞争等优化手段，它仍是构建高性能并发系统的核心工具。在 Java 中，AtomicXXX 类和 Unsafe 的封装让 CAS 的使用更加便捷和安全。

原子类#

分类#

类名	用途	示例方法
`AtomicInteger`	原子操作 `int` 类型	`incrementAndGet()`
`AtomicLong`	原子操作 `long` 类型	`getAndAdd()`
`AtomicReference`	原子操作对象引用	`compareAndSet()`
`AtomicStampedReference`	解决 ABA 问题（带版本号）	`compareAndSet()`
`LongAdder`	高并发下替代 `AtomicLong`	`add()`、`sum()`

性能对比#

场景	`synchronized`	`AtomicInteger`	`LongAdder`
低并发（少量线程）	中等	高	中等
高并发（大量线程）	低（阻塞严重）	中等（自旋开销）	极高

总结#

原子类通过 CAS + volatile + Unsafe 实现无锁线程安全，核心是 硬件级原子指令。适合替代 synchronized 实现轻量级并发，但在高竞争场景需权衡自旋开销（可优先选择 LongAdder）。