CAS 操作的简单理解

简单自由

已于 2025-02-25 10:38:13 修改

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文章标签： java jvm

于 2025-01-30 22:07:40 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weimengfei/article/details/145401095

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁算法，用于在多线程环境下实现原子操作。它包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。当且仅当内存位置的值与预期原值相等时，才会将该内存位置的值更新为新值，否则不做任何操作。

本文通过 “排队买奶茶” 的例子，直观地理解 CAS 操作的原理和过程，CAS 操作在多线程环境下可以避免传统锁带来的线程阻塞问题，提高程序的性能和并发处理能力。

场景设定

假如有一家很火爆的奶茶店，店里推出限量版的网红奶茶。大家都想买到这杯奶茶，但是同一时间只能有一个顾客成功购买。这就好比在多线程编程里，多个线程都想对同一个共享资源（限量版奶茶）进行操作（购买），而共享资源在同一时刻只能被一个线程修改。

悲观锁

这种加锁方式下，就好像奶茶店设置了一个排队区域，并且有一个销售（锁）在那里管理。当有顾客想要买奶茶时，需要先问销售能不能进去。如果销售说可以（获取到锁），顾客才能进去买奶茶；在顾客买奶茶的过程中，其他顾客只能在外面排队等待（线程阻塞），直到买奶茶的顾客出来，销售再让下一个顾客进去。这种方式虽然保证了同一时间只有一个顾客能买奶茶，但是其他顾客在等待的过程中什么都做不了，会浪费很多时间。

CAS 操作

CAS 操作就像是另一种更灵活的购买方式。奶茶店门口有一个显示屏，上面显示着当前这杯奶茶的状态（比如 “可购买” 或者 “已售出”），还显示着一个限量版编号（唯一标识编号）。

步骤分析

获取预期值：当一个顾客（线程）来到奶茶店，他先看显示屏上奶茶的状态和编号，记住当前的状态是 “可购买”，编号是 123（这就是预期值）。
准备新值：这个顾客打算把奶茶买下来，也就是要把显示屏上的状态改成 “已售出”（这就是新值）。
比较并交换：顾客拿着自己记住的预期状态和编号，再次去看显示屏。如果显示屏上的状态还是 “可购买”，编号还是 123，说明在他看的这段时间里没有其他顾客买走这杯奶茶。那么他就可以成功地把状态改成 “已售出”，完成购买（这就是比较并交换成功）。但如果显示屏上的状态已经变成 “已售出”，或者编号变了，说明在他看的这段时间里有其他顾客已经买走了这杯奶茶，他这次购买就失败了（比较并交换失败）。这时候，他可以选择再等等，然后重新获取显示屏上的状态和编号，再次尝试购买。

以下是一个简单的 Java 代码示例，用 AtomicInteger 类实现 CAS 操作，类比上面的场景：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASExample {
    // 用 AtomicInteger 模拟奶茶的状态，0 表示可购买，1 表示已售出
    private static AtomicInteger milkTeaStatus = new AtomicInteger(0); 

    public static void main(String[] args) {
        // 模拟多个顾客（线程）尝试购买奶茶
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                int expectedValue = 0; // 预期值：可购买
                int newValue = 1;      // 新值：已售出

                // 尝试进行 CAS 操作
                if (milkTeaStatus.compareAndSet(expectedValue, newValue)) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 成功购买到奶茶！");
                } else {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 购买失败，奶茶已被买走。");
                }
            }).start();
        }
    }
}

上述代码中，AtomicInteger 的 compareAndSet 方法就相当于顾客比较显示屏上的状态和编号，并尝试修改状态的过程。只有当预期值和当前值相等时，才会把值更新为新值，否则操作失败。

乐观锁与 CAS 操作的关系

联系：CAS 操作是实现乐观锁的一种常见方式。乐观锁的核心思想是在更新数据时检查数据是否被其他线程修改过。
区别：乐观锁是一种并发控制的思想，而 CAS 操作是一种具体的实现手段。乐观锁可以通过多种方式实现，如版本号机制、时间戳机制等，而 CAS 操作主要依赖于硬件层面的支持。此外，CAS 操作通常用于解决低级别并发问题，如原子变量的更新（计数器、分布式锁）；而乐观锁更侧重于业务层面的数据一致性控制。