Java多线程基础-12：详解CAS算法

CAS的全称是 Compare And Swap（比较并交换），它是并发编程中的一个重要概念。本文结合Java的多线程操作来讲解CAS算法。

CAS算法的优势是可以在不加锁的情况下保证线程安全，从而减少线程之间的竞争和开销。

目录

一、CAS算法的内容

1、基本思想和步骤

2、CAS伪代码（如果把CAS想象成一个函数）

二、CAS算法的应用

1、实现原子类

*伪代码实现原子类

2、实现自旋锁

*伪代码实现自旋锁

三、CAS的ABA问题

1、ABA问题引发的BUG

2、解决ABA问题——使用版本号

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一、CAS算法的内容

1、基本思想和步骤

CAS算法的基本思想是，先比较内存M中的值与寄存器A中的值（旧的预期值，expectValue）是否相等，如果相等，则将寄存器B中的值（新值，swapValue）写入内存；如果不相等，则不做任何操作。整个过程是原子的，不会被其他并发操作中断。

这里虽然涉及到内存与寄存器值的“交换”，但更多时候我们并不关心寄存器中存的值是什么，而是更关心内存中的数值（内存中存的值即变量的值）。所以这里的“交换”可以不用看成交换，直接看成是赋值操作就行，即把寄存器B中的值直接赋值到内存M中了。

CAS 操作包括三个操作数：一个内存位置（通常是共享变量）、期望的值和新值。CAS 操作的执行过程如下：

1. 读取内存位置的当前值。
2. 比较当前值与期望的值是否相等。
3. 如果相等，将新值写入内存位置；否则，操作失败。

2、CAS伪代码（如果把CAS想象成一个函数）

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
 if (&address == expectedValue) {
   &address = swapValue;
        return true;
   }
    return false;
}

上面给出的代码只是伪代码，并不是真实的CAS代码。事实上，CAS操作是一条由CPU硬件支持的、原子的硬件指令，这一条指令就能完成上述这一段代码的功能。

“一条指令”和“一段代码”的最大区别在于原子性。上述这一段伪代码不是原子的，运行过程中可能随着线程的调度有概率产生线程安全问题；但原子的指令不会有线程安全问题。

同时，CAS也不会有内存可见性的问题，内存可见性相当于是编译器把一系列指令的进行了调整，把读内存的指令调整成读寄存器的指令。但CAS本身就是指令级别读取内存的操作，所以不会有内存可见性带来的线程不安全问题。

因此，CAS可以做到不加锁也能一定程度地保证线程安全。这样就引申出基于CAS算法的一系列操作。

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二、CAS算法的应用

CAS可以用于实现无锁编程。实现原子类和实现自旋锁就是无锁编程的其中两个方式。

1、实现原子类

标准库 java.util.concurrent.atomic 包中有很多类使用了很高效的机器级指令（而不是使用锁） 来保证其他操作的原子性。

例如， Atomiclnteger 类提供了方法 incrementAndGet、getAndIncrement 和 decrementAndGet、getAndDecrement，它们分别以原子方式将一个整数自增或自减。

        AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
        Thread t1 = new Thread(()->{
                //num++
                num.getAndIncrement();
                //++num
                num.incrementAndGet();
                //num--
                num.getAndDecrement();
                //--num
                num.decrementAndGet();
        });

例如，可以安全地生成数值序列，如下所示：

import java.util.concurrent.atomic.Atomic