java的CAS

    cas是compare and swap的缩写,是由操作系统提供的并发操作的原子指令;cas操作包含3个基本值,内存地址,预期值,要更新的值。在更新变量值时,cas会首先将变量内存地址上的原值和预期值相比较,如果相当就将其设置为要更新的值。cas就是乐观锁的一种形式。

    Volatile能保证共享变量的可见性,即线程将共享变量从主内存读取到线程自己的工作内存中修改后,立即同步到主内存中,v并使其他线程工作内存中的该变量失效,在使用的时候在从主内存中从新读取。但是volatile不能保证原子性,因此可以利用cas的特性-可见性可原子性,搭配volatile实现并发环境下对共享变量的乐观锁。Synchronized是一种独占锁,即悲观锁,且Synchronized还涉及到线程的切换等开销,相比cas性能更差些。

    Java的整个J.UC都是建立在cas的基础上的,J.U.C的无阻塞队列都是通过cas实现的。如java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue。该队列的各共享变量都是volatile的,每一个对共享变量的设置操作都是通过UNSALF.UNSAFE.compareAndSwapObject实现的,并且由于volatile读操作快于cas写,因此该队列允许head和tail节点延后更新。

    但cas也存在一些问题,主要如下三个:

  1. ABA问题,即线程T1和T2都读到A值做cas操作,T2将A改为B在改为C,T1cas的时候发现自己读到的值与变量位置上的值一样,将A改为B,实际上A位置的值已发生变化。解决这个问题就是加给变量加版本号,1A1B经过T2cas后变为2A1B,T1去比较时发现版本对不上就不会修改A了。AtomicStampedReference实现了这个机制,exepetcStamp即预期值版本号,newStamp为要更新的值的版本号:                                                                                                                
  2. 自旋问题,使用cas一般都是在自旋以修改某值,如ConcurrentLinkedQueue的offer()方法中当在尾节点后添加新节点p.casNext(null, newNode)操作时,如果由于并发大,入队操作会一直自旋,会给CPU带来非常大的执行开销。
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作。AtomicReference实现了对多个变量的cas修改,将变量放入一个对象中,然后调用AtomicReference的API,cas操作多个共享变量的修改。

### Java 中的 CAS(Compare-And-Swap)机制及其用法 #### 1. CAS 的基本定义 CAS 是一种无锁算法的核心操作,其全称为 **Compare-And-Swap**。它的作用是在并发环境中实现线程安全的操作而无需显式的锁定机制。具体来说,CAS 涉及三个参数:内存位置 \(V\)、预期原值 \(A\) 和新值 \(B\)。当执行 CAS 操作时,如果内存位置 \(V\) 的当前值等于预期值 \(A\),则将其更新为新值 \(B\) 并返回 `true`;否则保持不变并返回 `false`[^4]。 #### 2. CASJava 中的实现 Java 提供了对 CAS 操作的支持,主要通过以下几个方面实现: ##### (1)底层支持 Java 使用 `sun.misc.Unsafe` 类作为底层工具来调用本地方法(JNI),从而利用 CPU 的原子指令完成 CAS 操作。这些原子指令能够确保即使在多核环境下也能正确处理共享资源的竞争问题[^1]。 ##### (2)高级封装 为了方便开发者使用,JavaCAS 功能进行了抽象和封装,集中体现在 `java.util.concurrent.atomic` 包下的多个类中,比如 `AtomicInteger`、`AtomicLong` 等。其中最常用的 API 方法之一就是 `compareAndSet(expect, update)`,它实现了标准的 CAS 行为[^3]。 以下是基于 `AtomicInteger` 的简单示例代码: ```java import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class CasExample { public static void main(String[] args) { AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0); System.out.println("Initial value: " + atomicInt.get()); // Try to increment the value using CAS loop while (!atomicInt.compareAndSet(atomicInt.get(), atomicInt.get() + 1)) { // Do nothing and retry until success } System.out.println("Updated value: " + atomicInt.get()); } } ``` 在这个例子中,我们创建了一个初始值为零的 `AtomicInteger` 对象,并尝试通过循环不断调用 `compareAndSet()` 来增加其数值直到成功为止。 #### 3. 实现原理分析 从硬件层面看,现代处理器都具备专门针对同步访问设计的一系列指令集,其中包括但不限于 Test-and-Set(TAS),Fetch-and-Add(FAA),以及最重要的 Compare-And-Swap(CAS)[^2]。这些低级机器码可以直接由 JVM 映射到对应的 Unsafe 函数里去执行相应的逻辑运算过程。 对于软件开发人员而言,则完全不需要关心具体的汇编细节部分——只需要按照官方文档说明正常使用即可获得高效稳定的性能表现效果。 --- ###
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