CAS详解

1. CAS 核心概念

• 定义：Compare And Swap（比较并交换），一种无锁并发控制技术。
• 核心逻辑：

  内存值 V，预期值 A，新值 B。
  当且仅当 V == A 时，将 V 更新为 B，否则不操作。
  整个操作由 CPU 保证原子性。
  

• 原子性保证：依赖 CPU 的 cmpxchg 指令（多核下通过总线锁定或缓存锁实现）。

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2. CAS 底层实现

1. Unsafe 类

   • 作用：Java 通过 sun.misc.Unsafe 类直接操作内存，调用本地方法（Native Method）实现 CAS。
   • 关键方法：compareAndSwapInt(), compareAndSwapLong() 等。
   • 示例：AtomicInteger 的 incrementAndGet() 底层通过循环 CAS 实现：

     public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
     }
     

2. CPU 指令

   • cmpxchg 指令：多核环境下通过缓存锁（MESI 协议）或总线锁保证原子性。

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3. CAS 在 JUC 中的应用

1. 原子类（Atomic Classes）

   • 常用类：AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference。
   • 核心方法：compareAndSet(expected, newValue)。
   • 优化类：LongAdder（分散热点，减少 CAS 竞争）。

2. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

   • 同步状态管理：通过 CAS 修改 volatile int state 实现锁的获取与释放。
   • CLH 队列：CAS 将竞争失败的线程封装为 Node 插入队列尾部。

3. 并发容器

   • ConcurrentHashMap：插入桶节点时使用 CAS 避免锁竞争。
   • CopyOnWriteArrayList：写操作通过 CAS 复制新数组保证原子性。

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4. CAS 的缺陷与解决方案

问题	原因	解决方案
ABA 问题	值从 A → B → A，CAS 无法感知中间变化	使用 AtomicStampedReference（版本号）或 AtomicMarkableReference。
自旋开销	高并发下 CAS 失败导致 CPU 空转	改用 LongAdder（分散热点）或退避策略（指数退避）。
单变量限制	无法保证多个变量的原子性	合并变量（封装为对象）或使用锁。

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5. CAS vs 锁机制

维度	CAS	synchronized/Lock
锁类型	无锁（乐观锁）	悲观锁
性能	高（无上下文切换）	低（锁竞争时性能差）
适用场景	简单原子操作、低竞争	复杂逻辑、高竞争
编程复杂度	需处理 ABA 问题和自旋	简单（自动释放锁）

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6. 实战代码示例

1. AtomicInteger 自增

   AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
   count.incrementAndGet(); // 底层通过 CAS 实现
   

2. 解决 ABA 问题

   AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
   int stamp = ref.getStamp();
   ref.compareAndSet("A", "B", stamp, stamp + 1); // 更新值并递增版本号
   

3. 手写自旋锁

   public class SpinLock {private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();public void lock() {Thread current = Thread.currentThread();while (!owner.compareAndSet(null, current)) {} // CAS 自旋}public void unlock() {owner.compareAndSet(Thread.currentThread(), null);}
   }
   

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7. 最佳实践

1. 优先使用原子类：如 AtomicInteger 替代 synchronized 计数器。
2. 避免长时间自旋：设置最大重试次数或改用锁。
3. 高竞争场景优化：使用 LongAdder 代替 AtomicLong。
4. 敏感数据加版本号：如订单状态变更使用 AtomicStampedReference。

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总结

• CAS 是 JUC 的基石：通过无锁化实现高效并发，但需处理 ABA 问题和自旋开销。
• 适用场景：简单原子操作（计数器、标志位）、低竞争环境。
• 慎用场景：复杂多变量操作、高竞争环境（改用锁或 LongAdder）。