剖析 Java 并发中的 CAS 和原子类，洞悉线程安全

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2023-10-03 22:30:49

线程安全：掌握 CAS 和原子类，驾驭并发编程

在多线程环境中，确保共享资源的线程安全至关重要。Java 提供了多种机制来实现此目的，其中 CAS（比较和交换）和原子类脱颖而出。深入理解这些概念对于编写健壮、可扩展的多线程应用程序至关重要。

什么是 CAS？

CAS 是一种无锁的同步机制，它通过原子操作比较和交换共享变量的值来实现线程安全。在这个过程中，线程首先获取共享变量的当前值，然后尝试将其替换为一个新值。只有当共享变量的当前值与获取时一致时，CAS 操作才会成功，否则操作将失败。

CAS 的优点

作为一种无锁的同步机制，CAS 不容易导致线程阻塞。这使得它非常适合在高并发环境中保护共享变量，因为它可以避免线程争用锁所带来的性能开销。

什么是原子类？

原子类是 Java 中用于确保变量线程安全的一种特殊类。它利用底层的 CAS 操作实现变量的原子操作。原子类为基本数据类型（如 int、long 和 boolean）提供了线程安全的封装，使线程可以安全地并发访问和修改这些变量。

原子类的优点

使用原子类的好处在于它提供了对基本数据类型的方便、高效的线程安全访问。它消除了使用显式锁或其他同步机制的需要，简化了多线程编程。

CAS 和原子类的选择

在选择使用 CAS 还是原子类时，需要考虑以下因素：

性能： CAS 通常比原子类具有更好的性能，因为它直接使用底层的 CAS 指令。
便利性： 原子类使用起来更方便，因为它为基本数据类型提供了现成的线程安全封装。
灵活性： CAS 允许更灵活的同步控制，因为它可以在任何类型的共享变量上使用。

应用场景

CAS 和原子类广泛应用于多线程并发编程中，常见场景包括：

保护计数器和其他累加器
并发数据结构（如队列和栈）
无锁数据结构（如无锁队列和无锁栈）

代码示例

下面是一个使用 CAS 来保护共享计数器的示例：

private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

public void incrementCounter() {
    while (true) {
        int expectedValue = counter.get();
        int newValue = expectedValue + 1;
        if (counter.compareAndSet(expectedValue, newValue)) {
            return;
        }
    }
}