CAS的底层实现

CAS的底层实现？（Java面试必看）

本文为Java并发核心知识点总结，原汁原味整理CAS原理，适合面试复习、知识梳理

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[CAS的底层实现？（Java面试必看）](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
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[一、CAS核心概念](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[二、Java中的体现](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[三、底层实现剖析](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[1. Java代码层（应用层）](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[2. JVM本地方法层（JNI层）](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[3. 操作系统/硬件层（最终实现）](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[CMPXCHG指令的工作流程](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[四、总结](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[作者信息](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)
[👍 看完三件事](#文章目录 CAS的底层实现？（Java面试必看） @[toc] 一、CAS核心概念二、Java中的体现三、底层实现剖析 1. Java代码层（应用层） 2. JVM本地方法层（JNI层） 3. 操作系统/硬件层（最终实现） CMPXCHG指令的工作流程四、总结作者信息 👍 看完三件事)

一、CAS核心概念

CAS（Compare-And-Swap），即比较并交换

是一种无锁的、乐观的并发控制机制
操作是原子的，执行过程中不会被其他线程中断
核心思想：
我认为V的值应该是A，如果是，那么把它更新为B；如果不是，说明有其他线程修改过了，那我就不更新了，并可以选择重试或放弃。

二、Java中的体现

在Java中，我们通常不直接操作底层指令，而是通过 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类（如AtomicInteger）来使用CAS。

这些类的compareAndSet、getAndIncrement等方法内部都依赖于CAS操作。

三、底层实现剖析

CAS的底层实现可以分为三个层次：
Java代码层 → JVM本地方法层 → 操作系统/硬件层

1. Java代码层（应用层）

这是我们直接编写和调用的层面。

java 复制代码

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASDemo {
    public static void main(String [] args) {
        AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(5); // 初始值为5

        // 这就是一个典型的CAS操作
        // 期望值是5，如果当前值确实是5，就把它更新为10
        boolean success = atomicInt.compareAndSet(5, 10);
        System.out.println("更新是否成功 : " + success + ", 当前值 : " + atomicInt.get());

        // 这次会失败，因为当前值已经是10，而不是8
        success = atomicInt.compareAndSet(8, 15);
        System.out.println("更新是否成功 : " + success + ", 当前值 : " + atomicInt.get());
    }
}

输出：

复制代码

更新是否成功 : true, 当前值 : 10
更新是否成功 : false, 当前值 : 10

2. JVM本地方法层（JNI层）

当我们点进AtomicInteger.compareAndSet方法，会发现它调用了Unsafe类的compareAndSwapInt方法。

java 复制代码

// AtomicInteger.java 内部
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

这个Unsafe类是JDK内部使用的、用于执行低级别、不安全操作的工具类。它提供了像访问内存、操作对象字段偏移量等直接功能。
compareAndSwapInt就是一个本地方法（Native Method），它的实现不在Java中，而在C/C++代码中。

java 复制代码

// Unsafe.java
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

3. 操作系统/硬件层（最终实现）

这是CAS魔法的发生地。JVM会为这个本地方法实现不同的版本，具体取决于操作系统和CPU架构。

在x86架构的Linux系统上：这个本地方法最终会映射到CPU的一条名为 CMPXCHG (Compare and Exchange) 的汇编指令
在其他平台：可能会是其他不同的指令，但原理相似

CMPXCHG指令的工作流程

这条指令会原子性地执行以下步骤：

将指定内存位置的值与某个寄存器（如EAX）中的值（期望值）进行比较
如果相等，则将另一个寄存器中的值（新值）写入该内存位置，并设置标志位（如ZF）为1表示成功
如果不相等，则不进行写操作，并将标志位清0表示失败

因为这是一条CPU指令，所以它在执行期间会锁定CPU缓存行或总线，确保整个"比较-交换"操作是不可分割的原子操作。这是硬件级别的保证，效率远高于软件级别的锁。

四、总结

CAS是无锁乐观并发方案，原子性由硬件指令保证
Java原子类底层 = Unsafe + 本地方法 + CPU原子指令
性能优于synchronized等重量级锁，是高并发首选方案

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👍 看完三件事

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