CAS与其他并发方案的对比及面试常见问题

一、前言

在前面的文章中，我们从 CAS 的核心思想、底层实现、问题解决方案，到实际应用场景，完成了一套完整的知识体系搭建。但在实际开发中，没有最优的技术，只有最适合的技术。

CAS 作为无锁并发的核心方案，并非在所有场景下都能发挥优势。本文将通过对比 CAS 与 synchronized 、 ReentrantLock 、 ThreadLocal 等主流并发方案的差异，明确各自的适用场景，并整理面试中高频的 CAS 相关问题，帮助你在理论和实践层面都能做到融会贯通。

二、合理选择并发方案的关键

在 Java 并发编程领域，解决线程安全问题的方案主要分为两大类：

锁机制： 如 synchronized 、 ReentrantLock，属于悲观锁范畴，核心思想是 "先加锁，再执行，避免冲突"；

无锁机制： 如 CAS，属于乐观锁范畴，核心思想是 "先执行，冲突后重试，减少阻塞"。

除此之外，还有线程隔离机制（如 ThreadLocal），通过避免共享变量来彻底解决线程安全问题。

不同的并发方案，其设计思想、性能特点、适用场景都存在显著差异。只有充分理解它们的优缺点，才能在实际开发中做出最优选择。

对比一：CAS vs synchronized

synchronized 是 Java 原生的同步关键字，从 JDK 1.0 就存在，经过 JDK 1.6 的锁优化（偏向锁、轻量级锁、重量级锁）后，性能得到了大幅提升。它与 CAS 的核心差异体现在设计思想和底层实现上。

1.实现原理差异

资源开销	无上下文切换开销，高并发冲突时存在 CPU 自旋开销	重量级锁存在上下文切换开销，低冲突时偏向锁 / 轻量级锁开销极低

2.性能对比

性能对比的核心结论是：低并发冲突场景下，CAS 和 synchronized（偏向锁 / 轻量级锁）性能接近；高并发冲突场景下，synchronized（重量级锁）更稳定，CAS 可能引发自旋风暴。

低并发冲突场景：

CAS 的自旋次数极少，几乎一次就能成功，无需阻塞线程；
synchronized 会优先使用偏向锁或轻量级锁，同样基于 CAS 实现，开销极低。
两者性能差异不大，CAS 略占优势。

高并发冲突场景：

CAS 的自旋次数会急剧增加，大量线程空循环占用 CPU 资源，导致 CPU 利用率飙升，甚至引发 "自旋风暴"，系统吞吐量下降；
synchronized 会升级为重量级锁，线程竞争失败后会被阻塞，进入等待队列，虽然存在上下文切换开销，但不会占用大量 CPU 资源，系统稳定性更高。

3.适用场景

synchronized	1. 复杂的业务逻辑同步（如多变量操作、代码块同步） 2. 高并发冲突严重的场景 3. 需要自动释放锁（避免死锁）的场景	1. 对性能要求极致，且并发冲突极少的简单变量操作场景

对比二：CAS vs ReentrantLock

ReentrantLock 是 JUC 提供的可重入锁，基于 AQS（抽象队列同步器）实现，相比 synchronized，它提供了更灵活的锁控制能力（如可中断锁、公平锁、条件变量）。它与 CAS 的关系非常密切 ------ ReentrantLock 的底层实现依赖 CAS。

1.核心关联与差异

**核心关联：**ReentrantLock 的 AQS 底层通过 AtomicInteger 的 CAS 操作来修改同步状态（state 变量），实现锁的获取与释放。例如，线程获取锁时，会通过 CAS 将 state 从 0 改为 1；释放锁时，通过 CAS 将 state 从 1 改回 0。

核心差异：

使用复杂度	简单，直接使用原子类即可	复杂，需要手动加锁和释放锁

2.选择依据

**1)如果是简单的单个变量原子操作：**优先选择 CAS（如 AtomicInteger），无需引入锁的复杂度，性能更高。

**2)如果需要复杂的锁控制功能：**优先选择 ReentrantLock，例如：

需要实现公平锁（线程按排队顺序获取锁）；
需要中断正在等待锁的线程；
需要使用多个条件变量（Condition）实现线程间的精准通信。

**3)如果是高并发冲突场景：**ReentrantLock 的性能优于 CAS，且稳定性更高。

对比三：CAS vs ThreadLocal

ThreadLocal 是 Java 提供的线程隔离工具，它的核心思想是**为每个线程提供独立的变量副本，避免共享变量的竞争。**它与 CAS 的设计思路完全不同，是两种互补的并发方案。

1.核心思想差异

适用场景	需要多线程共享变量，且保证线程安全的场景	需要线程隔离变量，避免共享竞争的场景

2.典型应用场景对比

**CAS 的典型场景：**高并发计数器。多个线程共享同一个 AtomicInteger 变量，通过 CAS 实现原子自增，保证计数准确。

**ThreadLocal 的典型场景：**SimpleDateFormat 的线程安全问题。SimpleDateFormat 是非线程安全的，通过 ThreadLocal 为每个线程提供独立的 SimpleDateFormat 副本，避免多线程竞争。

3.组合使用场景

在实际开发中，CAS 和 ThreadLocal 可以组合使用，发挥各自的优势。例如：

分布式追踪系统：

ThreadLocal 用于存储当前线程的追踪 ID（traceId），保证线程内的追踪 ID 一致；

CAS 用于生成全局唯一的追踪 ID（通过 AtomicLong 自增），保证多线程下 ID 的唯一性。

三、面试高频问题解析

CAS 是 Java 并发编程中的核心知识点，也是面试中的高频考点。以下整理了面试中最常见的 CAS 相关问题，并给出详细的解答思路。

1.基础概念类

问题 1：什么是 CAS？它的工作原理是什么？

解答思路：

**定义：**CAS（Compare and Swap）即比较并交换，是一种无锁的原子操作方案，是实现乐观锁的核心技术。

**三要素：**内存地址 V、预期原值 A、新值 B。

**核心逻辑：**当且仅当内存地址 V 的值等于预期原值 A 时，才将 V 的值更新为新值 B，整个操作是原子性的。

**底层支撑：**依赖 CPU 的原子指令（如 x86 的 cmpxchg），由硬件保证原子性。

问题 2：CAS 和乐观锁、悲观锁的关系是什么？

解答思路：

**悲观锁：**假设冲突一定会发生，先加锁再执行，如 synchronized、ReentrantLock 的重量级锁。

**乐观锁：**假设冲突很少发生，先执行再检测冲突，冲突后重试，CAS 是乐观锁的底层实现技术。

**关系：**CAS 是实现乐观锁的核心手段，乐观锁是一种并发设计思想，CAS 是这种思想的具体实现。

2.底层实现类

问题 3：Java 中的 CAS 是如何实现的？依赖哪些核心类？

解答思路：

**核心依赖类：**sun.misc.Unsafe 类，它是 Java 访问底层硬件指令的 "后门"。

实现链路：

应用层：使用 AtomicInteger 等原子类；
工具层：原子类的方法（如 compareAndSet）调用 Unsafe 类的 CAS 方法（如 compareAndSwapInt）；
硬件层：Unsafe 类的 CAS 方法是 native 方法，底层调用 CPU 的原子指令（如 cmpxchg）。

**关键细节：**原子类的核心变量（如 AtomicInteger 的 value）被 volatile 修饰，保证可见性。

问题 4：Unsafe 类是什么？为什么不能直接 new 一个 Unsafe 实例？

解答思路：

**定义：**Unsafe 是 sun.misc 包下的一个类，提供了底层的内存操作、线程调度、CAS 操作等能力，是 Java 并发编程、NIO 等核心功能的底层支撑。

不能直接 new 的原因：

构造方法是私有的，无法直接实例化；
静态方法 getUnsafe() 做了权限校验，只有启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）加载的类才能调用，普通应用类调用会抛出 SecurityException。

**获取方式：**普通应用类可以通过反射获取 Unsafe 的私有静态变量 theUnsafe。

3.问题与解决方案类

问题 5：CAS 存在哪些问题？如何解决？

**解答思路：**CAS 存在三大核心问题，对应的解决方案如下：

ABA 问题：

**现象：**变量值从 A 变为 B，再变回 A，CAS 认为值未变，但实际已被修改。
- **解决方案：**使用版本号机制（AtomicStampedReference）或标记机制（AtomicMarkableReference），比较值的同时比较版本号或标记。

循环时间长开销大：

**现象：**高并发冲突时，CAS 会不断自旋重试，占用大量 CPU 资源。
**解决方案：**限制重试次数、自适应自旋、高并发时退化为加锁机制。

只能保证单个变量原子操作：

**现象：**CAS 无法直接保证多个变量的原子操作。
**解决方案：**将多个变量封装为对象（使用 AtomicReference），或结合锁机制。

问题 6：什么是 ABA 问题？如何用 AtomicStampedReference 解决？

解答思路：

**ABA 问题的本质：**CAS 只关心变量的当前值，不关心变量的变化过程，导致值被篡改后又恢复，CAS 无法感知。

AtomicStampedReference 的解决思路：
- 维护一个对象引用 和一个整数版本号，每次修改变量时，版本号自增 1；
- CAS 操作时，同时比较 引用值 和 版本号，只有两者都相等时，才执行更新操作；
- 即使值从 A 变为 B 再变回 A，版本号也会从 1 变为 2 再变为 3，CAS 会检测到版本号不一致，避免 ABA 问题。

4.应用与对比类

问题 7：CAS 和 synchronized 的区别是什么？各自的适用场景是什么？

解答思路：

核心区别：

**设计思想：**CAS 是乐观锁（无锁），synchronized 是悲观锁（JDK 1.6 后支持偏向锁 / 轻量级锁 / 重量级锁）；
**线程状态：**CAS 竞争时线程自旋不阻塞，synchronized 重量级锁竞争时线程阻塞；
**性能特点：**低冲突时 CAS 性能高，高冲突时 synchronized 更稳定。

适用场景：

CAS 适合低并发冲突的简单变量操作（如计数器）；
synchronized 适合复杂业务逻辑同步、高并发冲突场景。

问题 8：AtomicInteger 的 incrementAndGet 方法是如何实现的？底层原理是什么？

解答思路：

**方法功能：**原子自增并返回新值。

底层实现：

incrementAndGet 方法调用 Unsafe 的 getAndAddInt 方法；
getAndAddInt 方法通过自旋 CAS 实现：不断获取当前 value 值，尝试通过 compareAndSwapInt 将值更新为 value + 1，直到 CAS 成功；
核心保证：value 变量被 volatile 修饰，保证可见性；compareAndSwapInt 是原子操作，保证线程安全。

三、总结

核心知识回顾

通过本系列文章的学习，我们构建了一套完整的 CAS 知识体系：

**基础层：**CAS 的核心思想是 "比较并交换"，三要素是内存地址 V、预期原值 A、新值 B，底层依赖 CPU 原子指令和 Unsafe 类。

**实现层：**Java 通过 AtomicInteger 等原子类暴露 CAS 能力，原子类的核心变量被 volatile 修饰，保证可见性。

**问题层：**CAS 存在 ABA 问题、自旋开销大、只能操作单个变量三大问题，需要针对性解决方案。

**应用层：**CAS 广泛应用于原子类、无锁并发容器（如 ConcurrentLinkedQueue）、锁优化（偏向锁 / 轻量级锁）等场景。

**对比层：**CAS 与 synchronized、ReentrantLock、ThreadLocal 各有优劣，需根据场景选择合适的并发方案。

建议

**优先使用 JDK 原生工具：**实际开发中，优先使用 AtomicXxx 原子类、ConcurrentLinkedQueue 等 JDK 提供的工具，避免直接使用 Unsafe 类和手动实现 CAS。

**根据场景选择方案：**低冲突简单操作选 CAS，复杂业务逻辑选 synchronized 或 ReentrantLock，线程隔离选 ThreadLocal。

**深入理解底层原理：**不仅要会用 CAS，还要理解其底层的 CPU 原子指令、Unsafe 类、锁优化等原理，这是提升并发编程能力的关键。