Java中的CAS(Compare-And-Swap)操作示例详解

Java面试题 - 什么是Java 的 CAS(Compare-And-Swap)操作?

什么是CAS操作？

CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）是一种原子操作，用于在多线程环境中实现无锁（lock-free）的线程安全编程。它是现代并发编程中的基础操作之一，Java中的许多并发工具类（如AtomicInteger、AtomicReference等）都是基于CAS实现的。

CAS操作包含三个操作数：

• 内存位置（V）
• 预期原值（A）
• 新值（B）

当且仅当内存位置V的值等于预期原值A时，处理器才会将该位置的值更新为新值B，否则不执行任何操作。无论哪种情况，都会返回该位置原来的值。

CAS操作的基本流程

Java中的CAS实现

在Java中，CAS操作主要通过sun.misc.Unsafe类提供的一系列方法实现，这些方法最终会调用本地（native）方法，由JVM借助CPU的CAS指令完成。

Java并发包（java.util.concurrent.atomic）中的原子类（如AtomicInteger）提供了对CAS操作的封装：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private volatile int value;
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
    // 其他方法...
}

CAS操作示例

下面是一个使用AtomicInteger的简单示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class CASExample {
    private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) {
        // 初始值为0
        System.out.println("初始值: " + counter.get());
        // 尝试将0更新为1（会成功）
        boolean success1 = counter.compareAndSet(0, 1);
        System.out.println("CAS(0,1)结果: " + success1 + ", 当前值: " + counter.get());
        // 尝试将0更新为2（会失败，因为当前值已经是1）
        boolean success2 = counter.compareAndSet(0, 2);
        System.out.println("CAS(0,2)结果: " + success2 + ", 当前值: " + counter.get());
    }
}

输出结果：

初始值: 0
CAS(0,1)结果: true, 当前值: 1
CAS(0,2)结果: false, 当前值: 1

CAS的典型应用场景

• 原子类：如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等
• 并发容器：如ConcurrentHashMap的部分实现
• 锁机制：如AQS（AbstractQueuedSynchronizer）的实现基础
• 计数器：无锁的线程安全计数器

CAS的优缺点

优点

• 高性能：避免了线程阻塞和上下文切换的开销
• 无锁：减少了死锁的可能性
• 可扩展性：在高并发环境下表现良好

缺点

• ABA问题：如果一个值从A变成B，然后又变回A，CAS会认为它没有变化过
  • 解决方案：使用版本号或时间戳（如AtomicStampedReference）

• 循环时间长开销大：如果CAS失败，通常会循环重试，长时间不成功会消耗CPU资源
• 只能保证一个共享变量的原子操作：对于多个共享变量，需要使用AtomicReference来封装

CAS与锁的比较

总结

CAS是Java并发编程中的重要概念，它提供了一种高效的无锁线程安全机制。理解CAS的工作原理对于编写高性能并发程序至关重要。虽然CAS有ABA问题等局限性，但通过适当的解决方案（如版本号）可以规避这些问题。在适当的场景下使用CAS，可以显著提高程序的并发性能。

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