揭秘Java多线程中的CAS机制：一种无锁并发神器

见解分享

2023-11-12 01:32:39

CAS是什么？

CAS（Compare and Swap），直译为“比较并交换”，是一种无锁并发机制，它允许线程在进行写操作之前先检查共享变量的值是否符合预期。如果符合预期，则执行交换操作；否则，线程将重试操作。

CAS的原理

CAS操作通常由三个参数组成：

变量：需要访问的共享变量
预期值 ：线程期望变量的当前值
更新值 ：如果变量的当前值与预期值相等，则将变量更新为该值

CAS操作的步骤如下：

读取变量的当前值。
将读取到的值与预期值进行比较。
如果比较结果相等，则将变量更新为更新值。
如果比较结果不相等，则说明变量已被其他线程修改，操作失败，需要重试。

CAS的特性

原子性 ：CAS操作是不可中断的，一旦开始执行，就会一直执行到完成或失败。
无锁：CAS操作不需要获取锁，因此可以避免锁竞争和死锁问题。
高性能 ：由于CAS操作不需要获取锁，因此可以显著提高并发性能。
弱可见性 ：CAS操作不具备内存可见性保障，这意味着其他线程可能看不到CAS操作后的值更新。

CAS的应用

CAS在并发编程中广泛应用于：

原子计数器 ：实现无锁的计数器，用于统计并发的操作次数。
并发队列 ：实现无锁的队列，用于线程之间的数据传递。
自旋锁 ：通过不断CAS某个变量的值来实现自旋锁，避免锁竞争。
版本控制 ：通过CAS操作来控制共享对象的版本，确保数据的一致性。

使用CAS的注意事项

在使用CAS时，需要特别注意以下几点：

ABA问题 ：CAS无法区分变量的旧值和新值是否相同，如果变量被其他线程修改为预期值，然后又修改回预期值，则CAS操作会成功，但实际上共享数据已经发生了变化。
循环重试 ：由于CAS操作可能失败，因此通常需要循环重试，这可能会导致性能下降。
弱可见性 ：CAS操作不具备内存可见性保障，因此需要采取其他措施来确保数据的一致性。

示例代码

以下代码展示了如何使用CAS实现一个无锁的计数器：

class Counter {
    private volatile int value;

    public int increment() {
        int oldValue;
        do {
            oldValue = value;
        } while (!compareAndSet(oldValue, oldValue + 1));
        return oldValue + 1;
    }

    private boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
        return value == expectedValue &&
                AtomicInteger.compareAndSet(value, expectedValue, newValue);
    }
}