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CAS详解

web 2025/8/12 16:32:45

1. CAS 核心概念

定义：Compare And Swap（比较并交换），一种无锁并发控制技术。

核心逻辑：

内存值 V，预期值 A，新值 B。
当且仅当 V == A 时，将 V 更新为 B，否则不操作。
整个操作由 CPU 保证原子性。

原子性保证：依赖 CPU 的 cmpxchg 指令（多核下通过总线锁定或缓存锁实现）。

2. CAS 底层实现

Unsafe 类
- 作用：Java 通过 sun.misc.Unsafe 类直接操作内存，调用本地方法（Native Method）实现 CAS。
- 关键方法：compareAndSwapInt(), compareAndSwapLong() 等。
- 示例：AtomicInteger 的 incrementAndGet() 底层通过循环 CAS 实现：
```
public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
```
CPU 指令
- cmpxchg 指令：多核环境下通过缓存锁（MESI 协议）或总线锁保证原子性。

3. CAS 在 JUC 中的应用

原子类（Atomic Classes）
- 常用类：AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference。
- 核心方法：compareAndSet(expected, newValue)。
- 优化类：LongAdder（分散热点，减少 CAS 竞争）。
AQS（AbstractQueuedSynchronizer）
- 同步状态管理：通过 CAS 修改 volatile int state 实现锁的获取与释放。
- CLH 队列：CAS 将竞争失败的线程封装为 Node 插入队列尾部。
并发容器
- ConcurrentHashMap：插入桶节点时使用 CAS 避免锁竞争。
- CopyOnWriteArrayList：写操作通过 CAS 复制新数组保证原子性。

4. CAS 的缺陷与解决方案

问题	原因	解决方案
ABA 问题	值从 `A → B → A`，CAS 无法感知中间变化	使用 `AtomicStampedReference`（版本号）或 `AtomicMarkableReference`。
自旋开销	高并发下 CAS 失败导致 CPU 空转	改用 `LongAdder`（分散热点）或退避策略（指数退避）。
单变量限制	无法保证多个变量的原子性	合并变量（封装为对象）或使用锁。

5. CAS vs 锁机制

维度	CAS	synchronized/Lock
锁类型	无锁（乐观锁）	悲观锁
性能	高（无上下文切换）	低（锁竞争时性能差）
适用场景	简单原子操作、低竞争	复杂逻辑、高竞争
编程复杂度	需处理 ABA 问题和自旋	简单（自动释放锁）

6. 实战代码示例

AtomicInteger 自增

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet(); // 底层通过 CAS 实现

解决 ABA 问题

AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
int stamp = ref.getStamp();
ref.compareAndSet("A", "B", stamp, stamp + 1); // 更新值并递增版本号

手写自旋锁

public class SpinLock {private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();while (!owner.compareAndSet(null, current)) {} // CAS 自旋}public void unlock() {owner.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);}
}