讲讲CAS

一句话总结

CAS（Compare-And-Swap）是Java中基于硬件的无锁并发机制，通过比较内存值与预期值进行原子更新。核心方法包含内存地址、预期值和新值，若匹配则更新，否则重试或放弃。常用于AtomicInteger等原子类实现线程安全操作，避免加锁开销。存在ABA问题（可通过版本号标记解决），适用于低竞争场景。

详细解析

在 Java 中，CAS（Compare-And-Swap，比较并交换） 是一种无锁的原子操作技术，用于在多线程环境下实现变量的线程安全修改。它通过 CPU 底层指令保证操作的原子性，避免了传统锁（如synchronized）带来的线程阻塞和上下文切换开销，是 Java 并发编程（JUC 包）的核心技术之一。

一、CAS 的核心思想

CAS 的操作逻辑可以概括为三个步骤：
比较（Compare） → 交换（Swap）
具体来说，CAS 包含三个关键参数：

• V（Value）：变量在内存中的实际值（目标内存地址的值）。
• A（Expected）：线程认为变量当前应有的“预期值”。
• B（NewValue）：线程希望将变量更新为的“新值”。

操作逻辑：
当且仅当内存中的实际值 V 等于 预期值 A 时，才将 V 更新为 B；否则不执行任何操作（保持 V 不变）。整个过程由 CPU 指令保证原子性，不可被中断。

二、Java 中的 CAS 实现

Java 中 CAS 的底层实现依赖于sun.misc.Unsafe类（JDK 内部使用，不提议直接调用）。Unsafe提供了一系列compareAndSwapXxx方法（如compareAndSwapInt、compareAndSwapObject），这些方法直接调用 CPU 的原子指令（如 x86 的cmpxchg指令），确保操作的原子性。

示例：AtomicInteger的原子递增

Java 的原子类（如AtomicInteger）是 CAS 的典型应用。以incrementAndGet()方法为例，其内部通过循环 CAS 实现原子递增：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset; // value 字段的内存偏移量

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value; // 保证可见性

    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
}

unsafe.getAndAddInt方法的底层逻辑是一个 自旋循环：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset); // 读取当前值（volatile 保证可见性）
        // 循环 CAS：如果当前值等于预期值 v，则更新为 v + delta
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); 
    return v;
}

• 自旋：如果 CAS 失败（说明其他线程修改了值），则重新读取当前值并再次尝试 CAS，直到成功。
• volatile 变量：value被声明为volatile，保证多线程间的可见性（任何线程对value的修改会立即被其他线程感知）。

三、CAS 的应用场景

CAS 在 Java 并发编程中被广泛使用，典型场景包括：

1. 原子类（AtomicXXX）：如AtomicInteger、AtomicBoolean，用于实现无锁的计数器、状态标记等。
2. 并发容器（JUC 包）：如ConcurrentHashMap（JDK 8+）的节点更新、ConcurrentLinkedQueue的链表操作，通过 CAS 替代锁提升性能。
3. 锁的底层实现：如ReentrantLock的tryLock()方法通过 CAS 尝试获取锁，减少线程阻塞概率。

四、CAS 与锁的对比