CAS的理解 - 技术栈

CAS（Compare-And-Swap）是一种重要的无锁的原子算法，它在多线程环境下使用硬件原语来同步对共享数据的访问。CAS操作通常由现代CPU直接支持，并在操作系统和编程语言的并发库中广泛应用。

CAS的基本概念

CAS操作包含三个操作数：

内存位置（内存中的特定地址）
预期原值（预期读取到的值）
新值（需要写入的值）

算法流程：

从内存位置读取当前值。
比较当前值与预期原值是否相等。
- 如果相等，将新值写入内存位置。
- 如果不相等，不做任何操作。

CAS的Java实现

在Java中，java.util.concurrent.atomic包提供了一系列的原子类来支持无锁的线程安全编程。下面是AtomicInteger中的incrementAndGet方法的简化版实现，这个方法通过CAS原子性地递增变量的值：

java 复制代码

public final class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    // Unsafe mechanics
    private static final sun.misc.Unsafe unsafe = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

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

    private volatile int value;

    //...其他方法和构造函数

    public final int incrementAndGet() {
        int current;
        int next;
        do {
            current = unsafe.getIntVolatile(this, valueOffset); // 读取当前值
            next = current + 1; // 计算新值
        } while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, current, next)); // CAS操作
        return next;
    }

    //...其他方法和构造函数
}

在这个例子中，incrementAndGet使用CAS循环来更新value字段。如果在尝试更新时其他线程已经更改了value，循环会持续不断地尝试，直到成功为止。

CAS的细节和问题

尽管CAS是非阻塞的，但它并不完美。在实际应用中，有以下几个注意点：

ABA问题

ABA问题发生在一个变量从A变化到B，然后又变回A，CAS将无法感知中间发生的变化。为解决这一问题，可以使用带版本号的CAS，如AtomicStampedReference类。
循环时间长开销大

当多个线程尝试对同一个变量执行CAS时，可能会引发激烈的竞争。如果一个线程一直无法成功更新变量，会导致高CPU负载。
只能保证一个共享变量的原子操作

CAS仅能对单一的共享变量进行原子操作。当涉及到多个共享变量时，可以使用锁或者java.util.concurrent包下的原子类，如AtomicReference。

CAS的代码示例

下面是一个简单的基于CAS的计数器实现：

java 复制代码

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASCounter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public int increment() {
        int oldValue, newValue;
        do {
            oldValue = count.get(); // 获取当前的值
            newValue = oldValue + 1; // 期望递增后的值
        } while (!count.compareAndSet(oldValue, newValue)); // CAS操作
        return newValue;
    }

    public int getValue() {
        return count.get();
    }
}

在这个例子中，increment()方法不断地尝试CAS操作，直到成功。compareAndSet是一个原子操作，如果当前值与预期值oldValue相同，就把它设置为newValue。

总结

CAS是并发编程中的关键技术，特别是在编写无锁数据结构时。它能够减少锁的使用，从而减少线程之间的阻塞和上下文切换。然而，CAS不是完全没有代价的，它可能导致高CPU负载，并需要仔细处理ABA问题。通过Java中的java.util.concurrent.atomic包，可以轻松地实现基于CAS的线程安全操作。了解CAS的工作原理及其局限性对编写高效、可扩展的并发应用至关重要。