CAS算法（compareAndSwap）

最新推荐文章于 2025-12-20 17:21:30 发布

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CAS(CompareAndSwap)是一种无锁条件下的多线程变量同步方法，通过硬件保证原子性。Java的AtomicInteger类利用Unsafe类的CAS操作，避免显式加锁。然而，CAS并非完全无锁，底层的cmpxchg指令通过lock前缀确保原子性。此外，CAS存在ABA问题，可能导致资源浪费。对于多变量操作，可以使用AtomicReference。

在并发编程中，我们大多数情况下都是显式地通过加锁来保证线程安全。这里我们来介绍一种在无锁条件下多线程变量同步的方法——CAS(Compare And Swap，比较与交换)算法

在CAS中涉及3个操作数：变量当前内存值V、变量的预期值E、新值U。只有该变量当前的内存值V与预期值E相同时，才会将新值U写入内存完成变量修改，否则什么都不做。

在Java中，java.util.concurrent.atomic包的原子变量类大量使用了Unsafe类提供的CAS操作。进一步地，CAS操作通过硬件来保证了比较-更新操作的原子性。下面分别使用volatile和AtomicInteger来进行演示

public class CASDemo {

    private static AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);
    private static volatile Integer count = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[20];
        for(int i=0; i<20; i++) {
            Thread thread = new Thread( ()->{
                for(int j=0; j<10000; j++) {
                    atomicCount.incrementAndGet();  // atomicCount++
                    count++;
                }
            } );
            threads[i] = thread;
            thread.start();
        }

        for(Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("atomicCount: " + atomicCount);
        System.out.println("count: " + count);
    }
}

在这里插入图片描述

原理

     CAS操作的原子性是通过硬件来保证，这里作进一步的解释说明。**CPU层面上，CAS的比较-写入操作上是通过cmpxchg指令去实现完成的。然而不幸的是，cmpxchg指令并不是一个原子操作**。即可能会发生这样的场景，线程A在执行cmpxchg指令的过程中，发现当前内存值V与预期值E一致，正准备将新值U写入内存，这个时候另外一个线程B打断了线程A的操作，将该变量修改了。显然这个变量发生了线程安全的问题，**为此为了保证cmpxchg指令的原子性，不会被打断，需要在cmpxchg指令前添加一个前缀指令lock。通过对cmpxchg指令进行加锁(总线锁或缓存锁)来保证操作的原子性。通常我们会说CAS算法是一个无锁算法，但其实我们可以看到底层依然是加了锁的，只不过这个锁的粒度是很小的**

缺陷：ABA问题

虽然CAS算法是非阻塞的，但是如果CAS操作一直不成功不断循环，将会大大浪费CPU资源
当对多个变量进行操作时，CAS算法无法保证原子性。为此Java提供了一个AtomicReference类，可以通过组合的方式将多个变量封装为一个对象再使用CAS算法