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CAS（Compare-And-Swap）详解

news 2025/7/5 8:31:52

CAS（Compare-And-Swap）详解

基本概念

CAS 是一种硬件级别的原子操作，它用来比较内存中的某个值是否为预期值，如果是，则更新为新值，否则不做修改。

工作原理

比较（Compare）：CAS 会检查内存中的某个值是否与预期值相等。
交换（Swap）：如果相等，则将内存中的值更新为新值。
失败重试：如果不相等，说明有其他线程已经修改了该值，CAS 操作失败，一般会利用重试，直到成功。

CAS的优缺点

优点：

无锁并发：CAS 操作不使用锁，因此不会导致线程阻塞，提高了系统的并发性和性能。
原子性：CAS 操作是原子的，保证了线程安全。

缺点：

ABA 问题：CAS 操作中，如果一个变量值从 A 变成 B，又变回 A，CAS 无法检测到这种变化，可能导致错误。
自旋开销：CAS 操作通常通过自旋实现，可能导致 CPU 资源浪费，尤其在高并发情况下。
单变量限制：CAS 操作仅适用于单个变量的更新，不适用于涉及多个变量的复杂操作。

ABA问题

ABA 问题是指当变量值从 A 变为 B 再变回 A 时，CAS 操作无法检测到这种变化。解决 ABA 问题的一种常见方法是引入版本号或时间戳，每次更新变量时同时更新版本号，从而检测到变量的变化。

Java 中的 AtomicStampedReference 就提供了版本号解决方案，它内部提供了一个 Pair 封装了引用和版本号，利用 volatile 保证了可见性。

对compareAndSet()方法分析

代码示例

使用 AtomicStampedReference 实现带有版本号控制的 CAS 操作，用于解决并发中的 ABA 问题。

public class SimpleCAS {private final AtomicStampedReference<Integer> atomicReference = new AtomicStampedReference<>(10, 0);/*** 自定义 CAS 方法，带版本控制，解决 ABA 问题*/public boolean cas(int expectedValue, int expectedStamp, int newValue) {return atomicReference.compareAndSet(expectedValue, newValue, expectedStamp, expectedStamp + 1);}public static void main(String[] args) {SimpleCAS simpleCAS = new SimpleCAS();// A 读取值和版本号int[] stampHolder = new int[1];int valueA = simpleCAS.atomicReference.get(stampHolder);int stampA = stampHolder[0];System.out.println("A初始读取: 值=" + valueA + ", 版本号=" + stampA);// B 做 ABA 操作boolean changed = simpleCAS.cas(10, stampA, 30);if (changed) System.out.println("B: 将 10 更新为 30");int[] stampHolder2 = new int[1];simpleCAS.atomicReference.get(stampHolder2);int stampB = stampHolder2[0];changed = simpleCAS.cas(30, stampB, 10);if (changed) System.out.println("B: 将 30 改回 10");int[] stampHolder3 = new int[1];int valueC = simpleCAS.atomicReference.get(stampHolder3);int stampC = stampHolder3[0];System.out.println("ABA后: 值=" + valueC + ", 版本号=" + stampC);System.out.println("---------------");// 线程 A 尝试用旧的 stamp 做 CASboolean success = simpleCAS.cas(10, stampA, 30);System.out.println("A用旧stamp尝试CAS (ABA后): " + (success ? "成功" : "失败"));System.out.println("最终值: " + simpleCAS.atomicReference.get(new int[1]));}
}

运行示例

可以看到: B在将10更新为30, 又从30改回10之后, A在CAS的时候就失败了, 可以看到有效防止了ABA问题。

CAS 在 Java 中的实现

在 Java 中，CAS 操作由 sun.misc.Unsafe 类提供，但该类是内部类，不推荐直接使用。

在 Java 中，可以使用并发包中 Atomic 类（如 AtomicInteger、AtomicLong 等），这些类封装了 CAS 操作，提供了线程安全的原子操作。

可以看到最终调用的还是带有native的本地方法, 通过 JNI（Java Native Interface）调用这些底层的硬件指令来实现 CAS 操作，从而确保操作的原子性。

与传统锁机制的对比

锁机制

优点：实现简单直观，在复杂业务场景下可以方便地构建复杂的同步逻辑，对于长时间持有资源的操作有一定优势（能保证线程获取到资源后可以完整地执行相关逻辑）。
缺点：容易导致线程阻塞和上下文切换开销，死锁风险，在高并发频繁竞争的场景下性能可能较差。

CAS机制

优点：性能在低竞争场景下很高，避免死锁，适合实现非阻塞算法。
缺点：存在 ABA 问题、循环开销、只能保证单个变量原子操作等问题，在某些复杂场景下需要结合其他技术来弥补不足。

CAS总线风暴

在多核处理器中，所有处理器核心共享一条总线并与主内存进行数据交互。当一个处理器核心对共享变量执行 CAS 操作时，需要通过总线广播通知其他核心更新其高速缓存中的该变量值，以保证缓存一致性，这种通信称为“缓存一致性流量”。而短时间内大量的 CAS 操作会导致缓存一致性流量激增，超出总线的通信能力上限，造成总线拥塞，即总线风暴。 ad3bfbfdc0c7e561e6357fe9be37bae