模拟 CAS 算法

 

 

/*
 * 模拟 CAS 算法
 */
public class TestCompareAndSwap {

	public static void main(String[] args) {
		final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();
		
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			new Thread(new Runnable() {
				
				@Override
				public void run() {
					int expectedValue = cas.get();
					boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random() * 101));
					System.out.println(b);
				}
			}).start();
		}
		
	}
	
}

class CompareAndSwap{
	private int value;
	
	//获取内存值
	public synchronized int get(){
		return value;
	}
	
	//比较
	public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
		int oldValue = value;
		
		if(oldValue == expectedValue){
			this.value = newValue;
		}
		
		return oldValue;
	}
	
	//设置
	public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue){
		return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue);
	}
}

 

 

<think>嗯,用户想了解CAS算法的工作原理和实现代码。首先,我需要回忆一下CAS的基本概念。CAS全称是Compare And Swap,是一种无锁的并发控制机制,用于实现多线程环境下的原子操作。它的核心思想是,先比较内存中的值是否与预期值相同,如果相同,则更新为新值,否则不进行操作。这个过程是原子的,可以避免使用传统的锁机制带来的性能开销。 接下来,我需要确定用户可能需要的细节。用户提到了“详解”和“实现代码示例”,所以应该从原理、实现步骤、代码示例、优缺点等方面展开。需要结合提供的引用内容,特别是引用[1]、[2]、[3]中的代码示例,可能还需要解释ABA问题和解决办法。 首先,CAS的工作原理。需要解释CAS的三个操作数:内存地址V、旧的预期值A、新值B。当且仅当V的值等于A时,CAS才会将V的值更新为B,否则不执行任何操作。整个过程是一个原子操作,由CPU指令支持,比如在x86架构中的CMPXCHG指令。 然后,实现代码部分。用户提供的引用中有Java的AtomicInteger类的例子,比如compareAndSet方法。引用[3]中的模拟CAS代码也很有参考价值,虽然是用Java实现的,但展示了如何通过同步方法模拟CAS的原子性。需要解释这些代码的结构,比如CompareAndSwap类中的方法如何工作,以及如何在多线程环境中使用。 此外,需要注意ABA问题。用户可能不太了解这个问题,所以需要解释ABA现象及其解决方案,比如使用版本号或时间戳,引用[2]中提到AtomicStampedReference可以解决ABA问题。这部分可能需要一个简单的例子说明问题及解决办法。 然后,代码示例部分。需要给出具体的Java代码,展示如何使用AtomicInteger的CAS方法,以及如何自定义一个模拟CAS的类。比如引用[1]中的示例代码,展示compareAndSet的使用;引用[3]中的CompareAndSwap类,说明如何通过synchronized方法实现类似CAS的逻辑。 最后,总结CAS的应用场景和优缺点。优点包括减少线程阻塞,提升并发性能;缺点包括ABA问题、自旋带来的CPU消耗,以及只能保证单个变量的原子性。需要结合引用[4]提到的ForkJoinPool,说明CAS在并发框架中的应用。 在整理回答时,要注意结构清晰,分步骤讲解,确保用户能逐步理解。同时,检查LaTeX格式是否正确,行内公式用$...$,独立公式用$$...$$,并生成相关问题。例如,用户可能想知道CASJava中的具体应用,或者如何避免ABA问题,所以相关问题可以围绕这些点展开。</think>### CAS算法详解 #### 一、工作原理 CAS(Compare And Swap)是一种无锁并发控制机制,核心思想通过**原子性比较与交换**实现线程安全。其操作逻辑为: 1. 比较内存位置$V$的当前值是否等于预期值$A$ 2. 若相等则将内存值更新为新值$B$ 3. 无论是否更新都返回原始值 数学表达式为: $$ \text{CAS}(V, A, B) = \begin{cases} \text{true} & \text{if } V = A \text{ then } V \gets B \\ \text{false} & \text{otherwise} \end{cases} $$ 该过程由CPU的原子指令(如x86的`CMPXCHG`)直接支持[^1]。 #### 二、Java实现示例 ```java // 引用[2]中的CAS实现示例 public class CASAlgorithm { AtomicInteger num = new AtomicInteger(0); void update() { int oldValue = num.get(); while(true) { if(num.compareAndSet(oldValue, oldValue + 1)) { return; } oldValue = num.get(); // 更新旧值继续尝试 } } } ``` **代码解析**: - `AtomicInteger.compareAndSet()`实现原子操作 - **自旋锁**机制保证最终成功 - 通过循环重试解决多线程竞争问题[^2] #### 三、ABA问题与解决方案 **ABA问题场景**: 1. 线程1读取值$A$ 2. 线程2将$A→B→A$ 3. 线程1的CAS仍会成功,导致逻辑错误 **解决方案**: 使用带版本号的`AtomicStampedReference`: ```java AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0); ref.compareAndSet(100, 200, 0, 1); // 对比值和版本号 ``` #### 四、算法特性对比 | 特性 | 锁机制 | CAS算法 | |-----------|-------------|-------------| | 线程阻塞 | 是 | 否 | | 上下文切换开销 | 高 | 无 | | 实现复杂度 | 低 | 高 | | 适用场景 | 临界区复杂操作 | 简单原子操作 | #### 五、应用场景 1. 计数器累加(如访问量统计) 2. 无锁队列实现 3. 并发容器(如ConcurrentHashMap的sizeCtl) 4. ForkJoinPool中的任务调度[^4]
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