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Java高频面试之并发编程-24

ops 2025/6/23 19:03:10

hello啊，各位观众姥爷们！！！本baby今天又来报道了！哈哈哈哈哈嗝🐶

面试官：什么是CAS

CAS（Compare and Swap，比较并交换） 是一种 无锁（Lock-Free） 的原子操作机制，用于实现多线程环境下对共享变量的安全更新。其核心思想是“先检查再修改”，通过硬件指令（如 CPU 的 CMPXCHG）保证操作的原子性，避免使用传统锁机制带来的性能开销。

CAS 的核心原理

CAS 操作包含三个参数：

内存地址（V）：需要修改的共享变量的内存地址。
期望值（A）：该变量当前应具备的值（用于判断是否被其他线程修改过）。
新值（B）：希望将该变量更新为的值。

执行流程：

比较：检查内存地址 V 中的当前值是否等于 A。
交换：
- 若相等，说明变量未被其他线程修改，将 V 的值更新为 B，返回 true。
- 若不相等，说明变量已被其他线程修改，放弃更新，返回 false。

整个过程由 硬件指令 保证原子性，不会出现中间状态。

CAS 的伪代码

function CAS(V, A, B) -> bool {if *V == A {*V = Breturn true} else {return false}
}

CAS 的典型应用场景

1. 原子类（如 `AtomicInteger`）

Java 中的 AtomicInteger 使用 CAS 实现线程安全的数值操作：

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);// 线程安全的自增操作（底层基于 CAS）
count.incrementAndGet();

2. 无锁数据结构

无锁队列、无锁栈：通过 CAS 实现并发环境下的高效插入和删除。
自旋锁（SpinLock）：线程通过 CAS 循环尝试获取锁，避免线程阻塞。

3. 并发工具

ReentrantLock 的 AQS 内部通过 CAS 管理同步队列的入队和出队。
ConcurrentHashMap 在 JDK 8+ 中利用 CAS 优化桶节点的插入。

CAS 的优缺点

优点	缺点
无锁设计，减少线程阻塞和上下文切换	自旋开销：竞争激烈时循环重试可能浪费 CPU 资源
高并发场景下性能优于传统锁	ABA 问题：变量可能被其他线程修改后又恢复原值，导致误判
避免死锁风险	仅适用于简单操作，复杂逻辑需结合其他机制

CAS 的 ABA 问题

问题描述

线程 1 读取变量值为 A。
线程 2 将变量从 A 修改为 B，再修改回 A。
线程 1 执行 CAS 时，误认为变量未被修改过，导致逻辑错误。

解决方案

版本号标记：每次修改变量时递增版本号，CAS 同时检查值和版本号。
Java 实现：使用 AtomicStampedReference 或 AtomicMarkableReference。

AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);// 更新时检查值 + 版本号
int stamp = ref.getStamp();
ref.compareAndSet(100, 200, stamp, stamp + 1);

CAS 的底层实现

硬件支持：现代 CPU 提供 CMPXCHG 指令（如 x86 架构），操作系统或 JVM 将其封装为原子操作。
Java 中的实现：通过 sun.misc.Unsafe 类的 compareAndSwapInt、compareAndSwapLong 等本地方法调用硬件指令。

CAS 与锁的对比

特性	CAS	传统锁（如 `synchronized`）
并发策略	乐观锁（假设无冲突，冲突时重试）	悲观锁（假设有冲突，直接阻塞）
线程阻塞	无（自旋等待）	有（线程进入阻塞状态）
适用场景	低竞争、简单操作（如计数器）	高竞争、复杂临界区
性能	高并发下更高效	竞争激烈时上下文切换开销大