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CAS简解

article 2025/1/24 9:22:59

CAS 名词解释

Compare-And-Swap 比较并替换
它是一条CPU并发原语【原语：属于操作系统语言范畴，它的执行是连续的，不允许被中断的，也就是说CAS是CPU的一条原子指令，不会造成数据不一致的问题】
它的主要功能是判断主内存某个位置的值是否跟预期的值一样，相同就进行修改，否则一直重试，直到一直为止
主要用于实现无锁并发控制，确保在多线程环境对共享变量的操作是原子性的

底层操作逻辑

主要在于三个核心参数
- 内存位置(V) --- 指向要更新遍历的内存地址
- 预期原值(E) --- 更新前的预期值
- 新值(N) ----要更新的新值
逻辑
- 当且仅当内存位置的值与预期的值一致时，该位置的值会更新为新值，否则不进行任何操作

具体使用和示例

Java中使用CAS的类： java.util.concurrent.atomic包提供了一系列原子类，如AtomicInteger、AtomicLong等。【注意：atomic类是通过 sun.misc.Unsafe类的底层的CAS操作功能。如：compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等方法可以直接在内存地址上执行CAS操作】
示例1：

package thread;
 
 
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
 
public class CASDemo {
 
    public static void main(String[] args) {
 
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
 
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(1, 2) + "\t 当前数据 值 : " + atomicInteger.get());
 
        //修改失败
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(1, 3) + "\t 当前数据 值 : " + atomicInteger.get());
        // 自增并返回当前的atomicInteger值
        atomicInteger.getAndIncrement();
 
    }
}

底层原理

UnSafe类(Native方法) + CAS思想
UnSafe类
- UnSafe类是CAS的核心类，由于Java方法是不能直接操作底层系统的，需要通过本地方法来访问，通过UnSafe类可以直接操作特定内存中的数据
- UnSafe类中变量使用volatile来修饰，保证了内存的可见性；Atomic的自增就是由于类中的值使用volatile修饰
CAS思想（自旋锁）
- 在使用CAS操作时，当CAS操作失败后，线程不直接阻塞等待，而是继续尝试执行，直到CAS操作成功为止
- 自旋锁的意思时程序使用循环来等待特定条件的实现方式，先比较传统的阻塞锁，自旋锁不会使线程进入阻塞状态，因此避免了线程上下切换带来的开销。通常当线程竞争的资源空闲等待的时间不长时，自旋锁时一种比较高效的同步机制

优点

无锁并发： CAS操作不需要显示的锁机制，减少了锁竞争的开销，提高了并发性能

缺点

ABA问题：如果内存位置的值从A变成B又变回A，那么CAS无法检测出这种变化。可以通过使用带版本号的CAS操作或使用AtomicStampedReference类解决
活锁问题：在最差的情况下，如果比较不成功，线程会一直循环，可能导致性能问题，通常建议使用分段CAS和自动迁移机制来优化
只能保证一个共享变量的原子性操作

ABA问题

分段CAS

所谓CAS分段机制，其维护这一个base变量和一个cell数组，当多个线程操作一个变量的时候，先会在这个base变量上进行cas操作，当它发现线程增多的时候，就会使用cell数组。比如当base更新为3的时候发现线程增多（也就是casBase操作失败），那么它会自动使用cell数组，每一个线程对应于一个cell，在每一个线程中对该cell进行cas操作，这样就可以提高并发效率，分散并发压力

自动迁移机制

当线程增多，每个cell中分配的线程数也会增多，当其中一个线程操作失败的时候，它会自动迁移到下一个cell中进行操作，这也就解决了CAS空旋转，自旋不停等待的问题。这就是自动迁移机制

使用

CAS操作本身是不保证内存可见性的。通常需要结合其他机制来保证内存可见性，如：volatitle关键字、synchronized关键字
CAS是一种乐观锁机制。具体实现为Unsafe类+自旋，通过Unsafe类提供硬件级别的原子性操作保证了并发安全，加上自旋操作，解决了synchronized在多线程环境下出现的线程阻塞，唤醒切换，以及用户态内核态之间的切换带来的消耗
CAS可以不加锁保证操作的原子性，Java标准库提供了Atomic+包装类，相关的组合类来实现原子操作，这些类都在java.util.concurrent.atomic 包底下

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