JAVA中的CAS操作实现原理

最新推荐文章于 2025-09-11 09:06:08 发布
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本文探讨了Java中Unsafe类的compareAndSwapInt方法如何利用C语言和汇编代码进行高效原子操作实现，深入解析其底层机制。

以Unsafe类的compareAndSwapInt()方法为例来说，compareAndSwapInt就是借助C语言和汇编代码来实现的。

CAS 的工作原理
专注于技术分享
02-13 945
CAS (Compare-and-Swap) 本身并不是一个独立的项目或软件，而是一种底层的硬件指令和并发编程概念
Java并发系列：CAS操作
m0_46672151的博客
06-14 645
CAS和JUC下的原子类关系十分密切，在本篇博客中可能需要一些原子类的知识。在多线程环境下，i++语句是线程不安全的。我们可以使用synchronized关键字保证线程安全，但是synchronized有一些缺陷：锁太重，影响系统的性能。 在使用原子类后，即可解决上述存在的问题，即保证原子性，又不需要加重锁。 Java中JUC下原子类的应用，底层就是CAS这种思想来保证。 说白了就是：在开发中使用JUC中的原子类，原子类是由CAS保证，Unsafe类实现了CAS思想。CAS是靠硬件实现，在硬件层面提升效率
Java CAS
热衷于钻探技术底层，从 Java 代码→JVM→操作系统→CPU指令集，追求一行代码的性能极限。这里不仅有并发编程、JVM调优、数据结构与算法的实战解析，更有对计算机系统本质的思考和追问。
09-11 858
CAS（比较并交换）是一种并发技术，通过硬件保证原子性操作。它包含三个参数：内存位置、预期值和更新值。当内存值与预期值匹配时，更新值才会被写入，否则操作失败。Java中的Unsafe类提供了CAS底层实现，基于CPU指令cmpxchg完成原子操作。相比synchronized，CAS非阻塞且效率更高，适用于多线程场景。AtomicInteger等原子类通过CAS+volatile保证线程安全，如getAndIncrement()方法避免i++的线程不安全问题。自旋锁借鉴CAS思想，线程通过循环尝试获取锁而非
CAS机制实现原理分析
Ariel_欢
10-02 2520
CAS机制实现原理分析
CAS操作原理
渣渣
07-16 4240
1、什么是CAS？ CAS：Compare and Swap，即比较再交换。 jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。 2、CAS算法理解 对CAS的理解，CAS是一种无锁算法，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则
CAS原理
summer_fish的专栏
05-26 4610
一、核心思想 CAS 涉及到以下操作： 假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。 1、比较 A 与 V 是否相等。（比较） 2、如果比较相等，将 B 写入 V。（交换） 3、返回操作是否成功 二、CAS基础实现 CAS 是 compare and swap 的简写，即比较并交换。它是指一种操作机制，而不是某个具体的类或方法。在 Java 平台上对这种操作进行了包装。在 Unsafe 类中，调用代码如下： unsafe.compareAndSwapInt(this,.
深入探索Java中的CAS操作：原理、实现与应用
10-16
CAS操作是Java并发编程中的一项重要技术，它通过无锁的方式提供了线程安全的数据操作。通过理解CAS的工作原理和底层实现，我们可以更有效地使用Java中的原子类和无锁数据结构。然而，我们也需要意识到CAS操作的局限...
Java中CAS原理
zhglhy的专栏
03-06 866
它是一种原子操作，用于在多线程环境下实现线程安全的变量更新。：CAS 只能检查变量的值是否发生变化，而不能检查变量的值是否被修改过多次。：CAS 只能对一个变量进行原子操作，无法保证多个变量的原子性。如果 CAS 失败，则重新读取变量的当前值，并重复上述步骤。线程调用 CAS 操作，尝试将变量的值从当前值更新为新值。CAS 操作是原子的，即在执行过程中不会被其他线程打断。）实现，能够在不使用锁的情况下保证操作的原子性。：在低竞争情况下，CAS 的性能优于锁机制。：CAS 操作是原子的，能够保证线程安全。
Java CAS基本实现原理代码实例解析
08-18
在 Java 中，CAS 的实现原理是通过比较和交换操作来实现的。例如，在 AtomicInteger 中， incrementAndGet 方法使用 CAS 来实现原子性的增量操作。该方法首先读取当前值，然后使用 CAS 来比较和交换新的值，如果成功...
Java CAS底层实现原理实例详解
08-25
"Java CAS底层实现原理实例详解" Java CAS（Compare And Swap）是一种机制，用于解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的问题。CAS 的概念是，比较并交换，解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。...
Java原子操作CAS原理解析
08-25
以AtomicInteger为例，学习CAS操作是如何实现的。通常情况下，在 Java中，i++等类似操作并不是线程安全的，因为 i++可分为三个独立的操作：获取变量当前值，为该值+1，然后写回新的值。在没有额外资源可以利用的情况...
CAS的原理
LYP37106231的博客
03-27 420
一、什么是CAS 　　CAS(compareAndSet),比较交换，是一种无锁原子算法。过程是:它包含三个参数（V、E、N），V表示要更新变量的值，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后CAS返回当前V的真实值。CAS操作时抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。 ...
CAS操作原理分析
weixin_30423977的博客
05-17 169
一、CAS简单介绍 CAS:Compare and Swap, 翻译成比较并交换。 java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。synchronouse是一种悲观锁，它会导致其他所有需要锁的线程挂起。 二、CAS原理 CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值...
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02-26 1万+
一、锁机制 常用的锁机制有两种： 1、悲观锁：假定会发生并发冲突，屏蔽一切可能违反数据完整性的操作。悲观锁的实现，往往依靠底层提供的锁机制；悲观锁会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。 2、乐观锁：假设不会发生并发冲突，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，只在提交操作时检查是否违反数据完整性。如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。乐观锁大多是基于数据
【并发知识点】CAS的实现原理及应用
Java 技术专栏，从入门到精通，熟悉企业级开发
06-22 3025
本章节介绍CAS概念、实现原理，并通过java代码应用，最终模拟赛龙舟比赛。
CAS的使用以及底层原理
qq_39939541的博客
07-06 2875
CAS（Compare and Swap）是一种无锁操作，通过比较内存中的值与预期值是否相等来实现原子操作，解决并发环境下的数据竞争问题。
CAS实现原理
待定的专栏
05-09 769
CAS实现原理： 认证流程分析： 1：用户第一次访问受保护的应用。受保护的应用通过其中配置的统一认证过滤器队请求进行过滤，未发现在session中有特定的用户信息，也未发现有ST参数。 2：应用系统将认定用户第一次进入受保护的系统中，重定向到统一认证系统中特定的路径。通常该路径为 http:// 统一认证IP：端口/casserver/login 3:统一认
原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析
YLIMH_HMILY的专栏
03-08 656
原理剖析（第 004 篇）CAS工作原理分析-一、大致介绍1、关于多线程竞争锁方面，大家都知道有个CAS和AQS，也正是这两个东西才引申出了大量的线程安全类，锁类等功能； 2、而随着现在的硬件厂商越来越高级，在硬件层面提供大量并发原语给我们Java层面的开发带来了莫大的利好； 3、本章节就和大家分享分析一下CAS的工作原理；二、原理分析2.1 何为CAS？1、CAS,compare and swap
java中CAS的原理与介绍
最新发布
10-24
<think>首先，用户的问题是：“我想了解Java中CAS的原理和获取相关介绍 请问Java中CAS的原理及详细介绍”。系统指令要求我使用中文回答，遵循特定的LaTeX格式，包括行内数学表达式用$...$，独立公式用$$...$$并单独成段。还要生成相关问题。 用户提供了几个引用： - 引用[1]：解释了CAS是Java中的并发原语，通过Unsafe类实现，依赖于硬件指令。 - 引用[2]：描述了CAS是Java中无锁并发操作的核心，是一种原子操作。 - 引用[3]：提到Unsafe支持Object、int和long的CAS操作，其他类型需要自己实现，并提到可见性和有序性。 - 引用[4]：定义CAS为无锁同步机制，通过硬件指令保证原子性。 - 引用[5]：讨论了CAS的ABA问题及其解决方案。 用户强调这些引用仅供参考，我需要基于用户上一次的问题和我的回答来响应。查看对话历史：用户上一次的问题是关于Java中CAS的原理和介绍，系统指令中有示例关于快速排序，但那是示例，不直接相关。所以，我应该专注于CAS主题。 结构化我的回答： 1. **介绍CAS**：定义CAS，解释基本概念。 2. **原理详解**：描述如何在Java中实现CAS的工作原理，包括硬件支持、Unsafe类等。 3. **关键组件**：讨论原子性、可见性、有序性。 4. **问题与解决方案**：提到ABA问题及其解决。 5. **示例代码**：提供一个简单的Java代码示例来展示CAS的使用。 6. **生成相关问题**：根据内容，列出几个相关问题。 确保LaTeX格式： - 行内数学表达式用$...$，例如变量名如$value$。 - 如果有独立公式，比如一个等式，用$$...$$单独成段。CAS基于比较和交换，可能不需要复杂数学，但如果涉及，可以添加简单公式，例如CAS操作：$CAS(V, E, N)$，其中V是内存位置，E是预期值，N是新值。 回答内容大纲： - **CAS定义**：CAS（Compare And Swap）是一种原子操作，用于比较内存值与预期值，如果匹配则更新为新值。 - **Java实现**：通过sun.misc.Unsafe类中的方法，如compareAndSwapInt等。 - **硬件支持**：JVM将Java调用转换为特定硬件指令（如cmpxchg）。 - **原子性**：CAS操作是原子的，不会被中断。 - **ABA问题**：解释ABA问题和解决方案（如版本号或AtomicStampedReference）。 - **可见性和有序性**：提到volatile关键字相关。 - **优点与应用**：无锁编程，提高并发性能。 - **代码示例**：用Java展示一个简单的CAS使用场景。 - **结尾**：生成相关问题。 生成相关问题： - 类似示例，列出3-4个问题，如： 1. CAS的应用场景有哪些？ 2. 如何解决ABA问题？ 3. CAS与其他同步机制（如锁）的比较？ 4. Java中哪些类使用了CAS？ 引用标识：在回答中引用的地方添加[^n]，基于提供的引用。用户给了引用[1]到[5]，所以我需要在相关段落末尾添加标识。 例如： - 当解释Unsafe类时，引用[1]。 - 当提到ABA问题时，引用[5]。 确保回答真实可靠：基于标准Java知识，CAS是基于硬件的原子操作，核心在java.util.concurrent.atomic包中。 最终回答结构： 1. 介绍CAS原理。 2. 详细解释。 3. 代码示例。 4. 相关问题。 </think>### Java中CAS的原理及详细介绍 CAS（Compare And Swap，比较并交换）是Java中一种基于硬件的原子操作机制，用于实现无锁（lock-free）并发编程。它通过避免传统的锁机制（如synchronized），在多线程环境下高效地保证共享变量的线程安全更新。下面我将从原理、实现细节、关键问题和应用等方面详细介绍CAS。 #### CAS的基本原理 CAS操作的核心是一个原子性比较和更新过程：它将内存位置的值与预期值进行比较，如果两者匹配，则将该位置的值更新为新值；否则，不进行任何操作。整个操作在硬件指令级别保证原子性，不会被线程切换中断[^4]。数学上，CAS操作可以表示为： $$ \text{CAS}(V, E, N) $$ 其中： - $V$ 是内存位置（变量地址）。 - $E$ 是预期值（expected value）。 - $N$ 是新值（new value）。 如果 $V$ 的当前值等于 $E$，则更新为 $N$，并返回 true；否则返回 false。这个过程是原子的，依赖于CPU的硬件指令（如x86架构的 `cmpxchg`），JVM会将Java代码编译为对应的汇编指令[^1][^2]。 #### Java中的CAS实现细节 在Java中，CAS的实现主要通过 `sun.misc.Unsafe` 类（Java 9+后部分功能移至 `java.lang.invoke.VarHandle`）。以下是关键点： 1. **硬件依赖与原子性**：Java的CAS调用（如 `Unsafe.compareAndSwapInt()`）会被JVM转换为底层硬件指令。这些指令在CPU级别是连续的、不可中断的原语操作，确保了操作的原子性[^1][^4]。例如，一个简单的 `int` 类型CAS操作在代码中表现为： ```java // 伪代码示例：基于Unsafe的CAS操作 public final boolean compareAndSwap(int expected, int newValue) { return U.compareAndSwapInt(this, VALUE_OFFSET, expected, newValue); // U是Unsafe实例 } ``` 这里，`VALUE_OFFSET` 是变量的内存偏移量。硬件指令保证了比较和交换作为一个整体执行，不会出现数据竞争。 2. **数据类型支持**：Unsafe类原生支持 `int`、`long` 和 Object类型的CAS操作。其他类型（如 `double` 或自定义类型）需要通过封装实现[^3]。例如，Java标准库中的 `AtomicInteger` 类底层就使用了 `Unsafe` 的CAS方法。 3. **可见性与有序性**：CAS操作自身只保证原子性，但多线程环境下还需考虑可见性（其他线程能立即看到更新的值）和有序性（指令不被重排序）。Java中通常结合 `volatile` 关键字实现：volatile确保变量的读写具有内存屏障，从而满足可见性和有序性[^3]。例如： ```java public class AtomicExample { private volatile int value; // 使用volatile保证可见性 public void increment() { int oldValue; do { oldValue = value; // 读取当前值 } while (!compareAndSwap(oldValue, oldValue + 1)); // CAS更新 } } ``` 4. **ABA问题与解决方案**：ABA问题发生在值被多次修改后恢复原值（例如，线程A读取值为 $A$，线程B将其改为 $B$ 再改回 $A$）。此时，CAS操作会错误地认为值未变而更新，导致逻辑错误[^5]。解决方式是引入版本号（version stamp）： - **解决方案**：使用 `AtomicStampedReference` 类，它将值与时间戳绑定。CAS操作检查值和版本号： $$ \text{CAS}((V, \text{stamp}), (E, \text{expectedStamp}), (N, \text{newStamp})) $$ 每次更新时版本号递增，避免ABA问题[^5]。 #### CAS的优点与应用 - **优点**：无锁设计减少线程阻塞，提高并发性能；适用于高并发计数器、队列和无锁数据结构。 - **应用**：Java的 `java.util.concurrent.atomic` 包（如 `AtomicInteger`、`AtomicReference`）广泛使用CAS。例如，以下代码实现一个线程安全的计数器： ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class Counter { private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public void increment() { int oldValue; do { oldValue = count.get(); // 读取当前值 } while (!count.compareAndSet(oldValue, oldValue + 1)); // CAS更新 } public int getCount() { return count.get(); } } ``` 这里，`compareAndSet` 是 `AtomicInteger` 封装的CAS方法。 #### 总结 Java中的CAS是一种高效的无锁并发机制，通过硬件指令和 `Unsafe` 类实现原子更新。它避免了锁的开销，但需注意ABA问题并确保可见性。典型应用包括并发计数器和无锁队列，是现代高性能并发库的基础[^2][^4]。
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