面试题：说说你是如何理解CAS的？

Mutig_s

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分类专栏： juc 文章标签： java jvm 开发语言后端个人开发

于 2024-06-25 19:49:59 首次发布

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CAS是Compare And Swap的简称，顾名思义就是比较并交换 。它体现的一种乐观锁的思想，是一项乐观锁技术，在无锁情况下保证线程操作共享数据的原子性。

CAS的工作流程

CAS 操作包含三个操作数 —— 需要更新的变量值 、预期原值 和 需要更新为的新值 。在进行并发修改的时候，会先比较需要更新的变量值和预期原值是否相等，如果相等，则会把需要更新的变量值替换成 需要更新为的新值 ，否则就不做任何操作。当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

CAS的底层实现

在Java中，CAS操作主要通过Unsafe类中的方法实现，最常用的是compareAndSwapInt和compareAndSwapLong方法。这些方法都直接调用操作系统底层的 CAS 指令。

此外，Java并发包（java.util.concurrent）中许多类都是基于CAS操作实现的，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

CAS的优缺点

优点：

无锁操作：CAS是一种无锁机制，它不涉及线程阻塞和上下文切换，因此相比锁机制有更高的性能。
原子性：CAS操作能够保证变量更新的原子性，避免了使用锁所带来的开销。

缺点：

ABA问题：如果变量在两个CAS操作之间经历了从A到B再到A的变化，CAS操作无法检测到这种变化，从而导致问题。Java提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference来解决这个问题。
自旋开销：在高竞争的情况下，CAS操作可能会导致大量的自旋操作（反复尝试），从而增加CPU的使用率，降低性能。
复杂性：使用CAS需要开发者具备较高的并发编程知识，代码的复杂性和可读性也会有所降低。

CAS的应用

CAS的主要应用就是实现乐观锁、自旋锁、原子变量。

相关拓展知识

什么是ABA问题？

ABA问题是多线程编程中使用CAS（Compare-And-Swap）操作时遇到的一种典型问题。它指的是这样一种情况：一个线程在执行CAS操作时，发现目标变量的值已经从初始值A变成了B，然后又变回了A。由于CAS操作只检查值是否等于预期值（A），它无法检测出值曾经被其他线程修改过。因此，CAS操作会误认为值没有变化，从而继续执行，这可能会导致数据一致性问题。

简单来说就是目标变量在未执行CAS操作之前进行了多次值变换，最后又变回了原值，此时进行CAS操作时发现一种假象“目标变量的值一直没变”，CAS操作能够正常进行，其实目标变量已经被隔壁老王偷偷篡改了很多次后再改回来。这是一种致命的数据一致性问题。

如何解决ABA问题？

为了避免ABA问题，常用的解决方案是引入版本号或标记，使得每次修改都会伴随版本号或标记的变化，从而能够检测到中间的修改。

1. 使用AtomicStampedReference

AtomicStampedReference类在CAS操作中引入了一个"戳"（版本号）来解决ABA问题。每次更新变量时同时更新版本号，确保即使值相同，但版本号不同也能检测到。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
public class ABAExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化值和版本号
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<>(100, 0);

        int[] stampHolder = new int[1];
        int value = atomicStampedRef.get(stampHolder);
        int stamp = stampHolder[0];

        // 模拟ABA问题
        atomicStampedRef.compareAndSet(value, 101, stamp, stamp + 1);
        atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, stamp + 1, stamp + 2);

        // 尝试检测ABA问题
        boolean success = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
        System.out.println("CAS操作成功: " + success);  // 这里应该输出false，因为版本号不匹配
    }
}

在这个例子中，通过使用AtomicStampedReference，我们可以检测到变量值是否发生了中间变化，即使最终值相同，版本号的变化也能反映出中间的修改，从而避免ABA问题。

2. 使用AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference类类似于AtomicStampedReference，但它使用一个布尔标记来解决ABA问题。它适用于需要区分多个状态的场景。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;
public class ABAMarkExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 初始化值和标记
        AtomicMarkableReference<Integer> atomicMarkableRef = new AtomicMarkableReference<>(100, false);

        // 模拟ABA问题
        atomicMarkableRef.compareAndSet(100, 101, false, true);
        atomicMarkableRef.compareAndSet(101, 100, true, false);

        // 尝试检测ABA问题
        boolean success = atomicMarkableRef.compareAndSet(100, 101, false, true);
        System.out.println("CAS操作成功: " + success);  // 这里应该输出false，因为标记不匹配
    }
}

总结

ABA问题是CAS操作在并发编程中的一个典型问题，导致CAS操作无法检测到中间的值变化，从而产生数据一致性问题。通过使用带版本号或标记的原子引用（如AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference），可以有效避免ABA问题，确保并发操作的正确性和一致性。