你知道什么是 CAS 吗？

旧城等待， 2024-05-04 08:12 184阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*   *   *  1. 什么是 CAS
         *  2. ABA问题
         *  3. 什么是忙等待
         *  4. CAS 的实现原理
         *  5. CAS 的应用场景
         *  6. CAS 的代码案例

#### 1. 什么是 CAS ####

CAS 是“Compare and Swap”的缩写，指的是一种并发编程技术。CAS 是一种乐观锁技术，用于实现多线程环境下的原子操作。CAS 操作包括三个步骤：比较内存中的值与预期值、如果相等则更新为新值、否则重试。在 Java 中，java.util.concurrent 包中的 Atomic 类和 AtomicReference 类提供了 CAS 操作的实现，例如 AtomicLong、AtomicInteger 等。CAS 可以用于实现非阻塞算法，提高并发性能。

#### 2. ABA问题 ####

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ABA 问题是在并发编程中常见的一种问题，指的是在使用 CAS（Compare and Swap）等乐观锁技术时可能发生的情况。ABA 问题的具体情况是：线程 A 读取共享变量的值为 A，然后线程 B 将共享变量的值从 A 修改为 B，最后又改回 A，此时线程 A 再次读取共享变量的值为 A，看起来就好像共享变量的值没有发生变化。这种情况可能导致程序逻辑错误或数据不一致。

为了解决 ABA 问题，可以使用版本号或标记等方式来标记共享变量的变化，确保在进行 CAS 操作时同时检查版本号或标记，从而避免出现 ABA 问题。Java 中的 AtomicStampedReference 类就是为了解决 ABA 问题而设计的，它在 CAS 操作中不仅比较值，还比较版本号，从而提供了更安全的并发操作。

#### 3. 什么是忙等待 ####

忙等待（Busy Waiting）是一种在计算机编程中常见的技术，用于实现并发控制或同步。在忙等待中，线程或进程会反复检查某个条件是否满足，如果条件未满足，则会不断循环等待，直到条件满足才继续执行后续操作。忙等待通常使用在轮询式的同步机制中，例如在实现自旋锁、CAS 等操作时。

忙等待的优点是简单直接，避免了线程切换和上下文切换带来的开销，适用于一些短暂等待时间的场景。然而，忙等待会占用处理器资源，降低系统的效率，而且在长时间等待的情况下可能会引发性能问题。因此，在实际应用中需要根据具体情况选择合适的同步机制，避免过度使用忙等待。

#### 4. CAS 的实现原理 ####

CAS（Compare and Swap）是一种并发编程中常用的原子操作，用于实现多线程环境下的同步和原子性操作。CAS 操作包括三个步骤：

1.  比较：首先，CAS 会读取内存中的值和预期值进行比较。
2.  交换：如果内存中的值和预期值相等，CAS 就会将内存中的值替换为新值。
3.  返回结果：CAS 操作返回一个布尔值，表示操作是否成功。

CAS 的实现原理通常依赖底层硬件的支持，例如处理器提供的原子指令（比如 x86 架构的 CMPXCHG 指令）。在 Java 中，CAS 操作由 Unsafe 类或 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类（如 AtomicLong、AtomicInteger）提供支持。

CAS 的实现原理基于乐观锁思想，通过比较并交换的方式实现原子性操作，避免了传统锁机制的性能开销。然而，CAS 也可能存在ABA问题，因此在一些情况下需要结合版本号或标记来解决。

#### 5. CAS 的应用场景 ####

CAS（Compare and Swap）常用于并发编程中，适用于需要实现原子操作和同步的场景。以下是一些 CAS 的应用场景：

1.  实现自旋锁：CAS 可以用于实现自旋锁，避免了线程阻塞和上下文切换的开销，提高了并发性能。
2.  线程安全的计数器：CAS 可以用于实现线程安全的计数器，确保多线程下的计数操作是原子的。
3.  无锁数据结构：CAS 可以用于实现无锁的数据结构，如非阻塞队列、无锁栈等，提高并发性能。
4.  原子操作：CAS 可以用于实现原子操作，如原子更新变量、原子更新引用等。
5.  实现乐观锁：CAS 可以用于实现乐观锁机制，通过比较和交换来确保数据的一致性。

#### 6. CAS 的代码案例 ####

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class CASExample {
        
        private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) {
        
            Thread thread1 = new Thread(() -> {
        
                int expectedValue = count.get();
                int newValue = expectedValue + 1;
                while (!count.compareAndSet(expectedValue, newValue)) {
        
                    expectedValue = count.get();
                    newValue = expectedValue + 1;
                }
                System.out.println("Thread 1: Incremented count to " + newValue);
            });
    
            Thread thread2 = new Thread(() -> {
        
                int expectedValue = count.get();
                int newValue = expectedValue + 1;
                while (!count.compareAndSet(expectedValue, newValue)) {
        
                    expectedValue = count.get();
                    newValue = expectedValue + 1;
                }
                System.out.println("Thread 2: Incremented count to " + newValue);
            });
    
            thread1.start();
            thread2.start();
    
            try {
        
                thread1.join();
                thread2.join();
            } catch (InterruptedException e) {
        
                e.printStackTrace();
            }
    
            System.out.println("Final count value: " + count.get());
        }
    }

上面使用了 AtomicInterger 类来实现一个原子计数器。两个线程分别尝试递增计数器的值，通过 compareAndSet 方法来实现 CAS 操作，确保原子性。最终输出计数器的最终值。

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