Java CAS 原理与用法

一、CAS 原理

1. 核心思想

CAS 是一种无锁的原子操作机制。它的核心思想是：我认为值应该是 A，如果是，那我就把它改成 B；如果不是 A（说明被别人改过了），那我就不修改，然后可以选择重试或放弃。

这个操作是作为一条CPU 硬件指令实现的（在 x86 架构上是 CMPXCHG 指令），因此它能保证原子性，不会被线程调度打断。

2. 操作模型

CAS 操作涉及三个操作数：

• 内存位置（V）
• 预期的原值（A）
• 新值（B）

伪代码逻辑如下：

if (V == A) {
    V = B;
    return true;
} else {
    return false;
}

但关键是，整个比较和交换的过程是一个不可分割的原子操作。

3. 工作流程

当一个线程想要更新一个变量时，它会：

1. 获取当前内存中的值，作为期望值 A。
2. 计算出新值 B。
3. 执行 CAS 指令，判断当前内存中的值是否还是 A。
   • 如果是，说明没有其他线程修改过，成功将值更新为 B。
   • 如果不是，说明值已被其他线程修改，本次更新失败。线程通常会重试整个操作（获取新的当前值，计算新值，再次执行 CAS），直到成功为止。这种重试行为就是常见的自旋。

4. 优点与缺点

• 优点：
  • 高性能：避免了重量级锁（如 synchronized）带来的线程阻塞、唤醒和上下文切换的开销，在竞争不激烈的场景下性能极高。
  • 避免死锁：由于是无锁操作，从根本上避免了死锁问题。
• 缺点：
  • ABA 问题：CAS 只检查值是否变化，但如果一个值从 A 变成 B，又被改回 A，CAS 会误以为它没变。解决方案是使用版本号或标记（如 AtomicStampedReference）。
  • 自旋开销：在高竞争环境下，如果线程一直失败重试，会长时间占用 CPU，消耗资源。
  • 只能保证一个共享变量的原子操作：对于多个共享变量，CAS 无法保证原子性。但可以将它们合并成一个对象，使用 AtomicReference 来保证原子性。

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二、Java 中的 CAS 用法

在 Java 中，你不能直接使用 CPU 指令。CAS 的能力是通过 sun.misc.Unsafe 类中的本地（Native）方法提供的。但通常，我们不会直接使用 Unsafe，而是使用 JDK 在 java.util.concurrent.atomic 包下为我们封装好的原子类。

1. 主要的原子类