CAS（Compare-And-Swap）详解

CAS（Compare-And-Swap）详解

CAS 是计算机科学中一种重要的原子操作，全称为 Compare-And-Swap（比较并交换）。它是现代并发编程的基石之一，广泛应用于 Java 并发包（JUC）、操作系统内核和数据库系统等领域。

1. 基本概念

CAS 操作包含三个参数：

1. 内存位置（V）
2. 预期原值（A）
3. 新值（B）

操作逻辑伪代码：

if (V == A) {
    V = B;
    return true;
} else {
    return false;
}

所有步骤作为一个原子操作执行

2. 底层实现原理

2.1 硬件支持

• 通过 CPU 的原子指令实现（如 x86 的 CMPXCHG 指令）
• 现代处理器普遍支持的多核原子操作

2.2 Java 中的实现

通过 sun.misc.Unsafe 类提供 native 方法：

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

3. 工作流程

以 AtomicInteger 的 incrementAndGet() 为例：

1. 读取当前值（假设为 5）
2. 计算新值（5 + 1 = 6）
3. 执行 CAS（比较当前值是否仍为 5）
   • 如果是，更新为 6
   • 如果被其他线程修改（比如变为 7），则重试

4. 在 Java 中的典型应用

4.1 原子类

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet(); // 内部使用CAS

4.2 ConcurrentHashMap

// Java 8 putVal 中的CAS用法
if (casTabAt(tab, i, null, new Node<K,V>(hash, key, value, null)))
    break;

4.3 AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

// 尝试获取锁的CAS操作
compareAndSetState(0, 1)

5. 优缺点分析

优点：

1. 无锁并发：避免线程阻塞/唤醒的开销
2. 高性能：用户态操作，无需内核介入
3. 无死锁：不存在传统锁的相互等待问题

缺点：

1. ABA问题：值从A→B→A的变化无法感知
   • 解决方案：添加版本号（AtomicStampedReference）
2. 循环开销：高竞争时可能大量重试
3. 单一变量：只能保证一个变量的原子性

6. ABA问题示例

AtomicReference<Integer> ref = new AtomicReference<>(100);

// 线程1准备将100→200
ref.compareAndSet(100, 200); 

// 线程2先执行了:
ref.compareAndSet(100, 50);
ref.compareAndSet(50, 100); // 又改回100

此时线程1的CAS仍会成功，但中间状态已变化

解决方案：

AtomicStampedReference<Integer> ref = 
    new AtomicStampedReference<>(100, 0);

// 比较时同时检查值和版本戳
ref.compareAndSet(100, 200, stamp, stamp+1);

7. 与其他同步机制对比

机制	阻塞性	实现复杂度	适用场景
synchronized	阻塞	简单	通用场景
CAS	非阻塞	复杂	低竞争、原子操作
Lock	阻塞	中等	需要高级功能时

CAS 是现代并发库的基础，理解它对掌握 Java 并发编程至关重要。