CompareAndSet(CAS)学习笔记

本文介绍了CAS(Compare And Set)机制,一种用于解决多线程环境下锁导致性能下降的策略。CAS涉及三个操作数:内存位置、预期原值和新值。当内存位置值与预期原值匹配时,新值会被原子性地更新。在Java的`AtomicInteger`中,`compareAndSet`方法实现了这一机制。虽然CAS能提高性能,但存在ABA问题,使用时需谨慎。

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      Compare And Set,直译过来就是比较并设值,解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制,CAS操作包含三个操作数—内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则,处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A;如果包含该值,则将B放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。

下面这个方法是concurrent并发包下atomic.AtomicInteger中实现的CAS方法(jdk8)

翻译一下注释:如果当前值等于预期值,原子操作将值设置为给定的更新值。expect为预期值,update为待更新值。

   /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return {@code true} if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

再深入看看compareAndSwapInt方法是发现是一个native方法,native方法是用其他语言编写的。

  public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

我们知道 i++,++i都不是原子操作,AtomicInteger中提供了原子操作的i++和++i;都使用了compareAndSwapInt方法。

 //i++
 public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
 }
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
}

val1是内存中的值,var2是偏移量,var5是预期值,var5+var4是更新值。程序一直循环直到预期值与真实值相等并将真实值设置为更新值,并返回原值;Java8版本里的getAndIncrement看着比较难懂,我找了一个低版本的方法。

//i++
public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {//一直循环直到CAS成功
        int current = get();//获取当前值(预期值)
        int next = current + 1; //当前值+1(更新值)
        if (compareAndSet(current, next))//如果预期值current与内存值相等,设置新值
            return current;//返回新增之前的值
    }
}

低版本方法中参数比较少,更容易理解。CAS在无锁的情况下实现原子操作,提高了程序的性能,但是在部分情况下回出现ABA问题,在使用时还是需要仔细斟酌。

 

### Java AtomicInteger `compareAndSet` 方法详解 #### 什么是 `compareAndSet`? `compareAndSet` 是 `AtomicInteger` 提供的一个核心方法,用于实现基于比较的操作。该方法接受两个参数:预期值(expected value)和新值(new value)。如果当前内存中的实际值等于预期值,则将此值更新为新值并返回 `true`;否则不会执行任何操作,并返回 `false`。 这种方法的核心在于它的原子性——整个比较和设置过程是一个不可分割的整体,在多线程环境中能够确保数据的一致性和安全性[^2]。 --- #### 方法签名 以下是 `compareAndSet` 的方法签名: ```java public final boolean compareAndSet(int expect, int update) ``` - **expect**: 预期的当前值。 - **update**: 如果期望值匹配成功,则将其替换为此新值。 - 返回值: 如果比较成功则返回 `true`,否则返回 `false`。 --- #### 工作机制 当调用 `compareAndSet(expect, update)` 时,会执行以下逻辑: 1. 获取当前的实际值(current value),即存储在底层变量中的值。 2. 将这个实际值与传入的预期值 (`expect`) 进行对比。 3. 如果两者相等,则将当前值设为新的值 (`update`) 并返回 `true`; 4. 否则不做更改,返回 `false`。 这种机制被称为“CAS(Compare And Swap),它是无锁算法的基础之一,广泛应用于高并发环境下的状态管理[^3]。 --- #### 示例代码 下面展示了一个简单的例子,说明如何使用 `compareAndSet` 来实现线程安全的计数器: ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class CASExample { private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public void increment() { int currentValue; int newValue; do { currentValue = count.get(); // 获取当前值 newValue = currentValue + 1; // 计算下一个值 } while (!count.compareAndSet(currentValue, newValue)); // 执行 CAS 操作 } public int getCount() { return count.get(); } } ``` 在这个示例中,`increment()` 方法通过循环不断尝试增加计数值。只有当 `compareAndSet` 成功时才会退出循环,这保证了即使有多个线程同时访问也不会发生竞争条件[^1]。 --- #### 实际应用场景 除了基本的计数功能外,`compareAndSet` 可以被用来构建更复杂的同步结构,比如自旋锁或者轻量级信号量。例如,可以利用它创建一个高效的 ID 生产者: ```java public class IdGenerator { private AtomicInteger id = new AtomicInteger(0); public int generateId() { return id.incrementAndGet(); // 自动递增并获取最新ID } } ``` 这里展示了另一种方式来简化计数器的设计,其中直接调用了 `incrementAndGet()` 方法完成相同的功能[^4]。 需要注意的是,虽然 `compareAndSet` 很强大,但在某些情况下可能会遇到所谓的 ABA 问题(即某个值先变为 B 再变回 A)。对于这种情况,可以考虑使用扩展类如 `AtomicStampedReference` 来引入版本号控制[^5]。 --- ### 总结 `compareAndSet` 是一种高效且可靠的工具,能够在无需显式锁定的情况下保障共享资源的安全访问。理解其内部运作原理有助于开发者更好地设计高性能的应用程序组件。 ---
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