手把手教你掌握CAS，轻松玩转多线程同步！
2022-12-31 15:53:08
CAS：多线程编程中的原子比较与交换
在多线程编程的世界中，同步是至关重要的，它确保了不同线程对共享资源的并发访问是安全的。Compare And Swap (CAS) 是一种原子操作，为我们提供了在多线程环境中安全地更新共享变量的强大方式。
什么是 CAS？
CAS 的工作原理如下：
- 读取共享变量的当前值。
- 将当前值与预期值进行比较。
- 如果当前值等于预期值，则将新值写入共享变量。
- 如果当前值不等于预期值，则不做任何操作。
CAS 的原子性意味着整个操作作为一个不可分割的单元执行，确保了共享变量的更新要么成功完成，要么根本不执行。
CAS 的应用
CAS 在多线程编程中有着广泛的应用，尤其是在需要实现无锁同步的场景中。以下是几个常见的应用场景：
- 无锁队列： CAS 可用于构建无锁队列，从而提高吞吐量并减少竞争。
- 原子计数器： CAS 可用于实现原子计数器，确保在多线程环境中计数器的值始终准确。
- 读写锁： CAS 可用于实现读写锁，允许多个线程同时读取共享变量，但只能有一个线程写入。
Java 中的 CAS
在 Java 中，可以通过 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类来使用 CAS。常见的原子类包括：
AtomicInteger：原子整型变量AtomicLong：原子长整型变量AtomicBoolean：原子布尔型变量AtomicReference：原子引用变量
使用原子类时，只需调用 compareAndSet 方法即可执行 CAS 操作。该方法有两个参数：当前值和预期值。如果当前值等于预期值，则将新值写入共享变量并返回 true；否则，什么都不做并返回 false。
AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
// 期望当前值为 0
if (counter.compareAndSet(0, 1)) {
// 更新成功
} else {
// 更新失败，当前值可能已被其他线程修改
}
CAS 的优缺点
CAS 作为一种同步机制，具有以下优点：
- 原子性： CAS 操作保证了更新的完整性。
- 无锁： CAS 是一种无锁同步机制，不需要使用锁。
- 高性能： 在无竞争的情况下，CAS 性能非常高。
然而，CAS 也有以下缺点：
- ABA 问题： ABA 问题是指共享变量的值在 CAS 操作过程中从 A 变为 B，又变回 A。在这种情况下，CAS 操作会成功，但实际上共享变量的值已经发生了改变。
- 循环重试： CAS 操作可能会失败，在这种情况下需要进行循环重试。循环重试会降低 CAS 的性能。
结论
CAS 是一种强大的多线程同步机制，它提供了一种安全高效的方式来更新共享变量。虽然它有一些缺点，例如 ABA 问题和循环重试，但它仍然是构建高并发应用程序的关键工具。
常见问题解答
1. CAS 如何解决原子性问题？
CAS 作为一个不可分割的单元执行整个操作，确保要么更新成功完成，要么根本不执行。
2. ABA 问题如何影响 CAS？
ABA 问题可能会导致 CAS 操作成功，即使共享变量的值发生了改变。
3. 如何避免循环重试？
在某些情况下，可以采用无锁数据结构，例如无锁队列，来避免循环重试。
4. CAS 与锁相比有什么优势？
CAS 是一种无锁同步机制，它比使用锁的同步机制性能更高，尤其是在无竞争的情况下。
5. CAS 在哪些场景中特别有用？
CAS 在需要实现无锁同步的场景中特别有用，例如无锁队列、原子计数器和读写锁。
