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。

到此这篇关于Java中的CAS(Compare-And-Swap)操作示例详解的文章就介绍到这了,更多相关Java CAS操作内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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