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Java的CAS机制：无锁并发控制及其高频面试题

news 2025/8/30 6:09:21

一、什么是CAS？

CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）是一种无锁的原子操作，用于实现多线程同步。它是现代CPU通过硬件支持的原子指令，也是许多并发工具类的底层实现原理。

CAS 操作包含三个操作数：

内存位置（V）
预期原值（A）
新值（B）

基本逻辑是：

如果内存位置 V 的值与预期原值 A 相匹配，那么就将该位置的值更新为新值 B；否则，不修改该值。无论哪种情况，都会返回该内存位置当前的值。

这个操作是原子性的，即执行期间不会被其他线程打断。

二、Java中的CAS实现

在 Java 中，CAS 操作主要通过 java.util.concurrent.atomic包下的原子类实现，比如：

AtomicInteger
AtomicLong
AtomicBoolean
AtomicReference

这些类底层使用 Unsafe 类 调用了 CPU 提供的 CAS 指令（如 x86 架构下的 CMPXCHG指令）。

示例：AtomicInteger 中的 CAS

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);// 模拟 CAS 操作：如果当前值是 0，就设置为 1
boolean success = atomicInteger.compareAndSet(0, 1);

compareAndSet(expect, update)方法就是 CAS 的体现
它会检查当前值是否等于 expect，如果是，则更新为 update，并返回 true；否则不更新，返回 false

三、CAS 的工作原理与特点

特点：

乐观锁策略：假设并发冲突不常发生，先尝试更新，如果不成功则重试或不处理
无锁（Lock-Free）：不使用传统 synchronized 或 Lock，避免了线程阻塞和上下文切换
原子性：CAS 操作本身是原子的，由硬件保证
自旋（Spin）：当 CAS 失败时，通常会采用自旋（循环重试）的方式，直到成功

缺点：

ABA 问题：一个值从 A 变成 B 又变回 A，CAS 会认为没有变化，但实际上已经变更过
自旋开销：在高并发场景下，如果 CAS 长时间不成功，会导致大量 CPU 空转
只能保证一个变量的原子操作：无法直接用于多个变量的原子更新

四、CAS 的常见应用

1. 原子类

AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);// 线程安全的自增
counter.incrementAndGet(); // 内部使用 CAS

2. 实现非阻塞算法

比如实现一个简单的非阻塞栈或队列，利用 CAS 来更新头尾节点。

3. AQS（AbstractQueuedSynchronizer）

Java 中很多同步工具如 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore 的底层都依赖 AQS，而 AQS 的核心部分就使用了 CAS 来控制线程的排队与唤醒。

五、CAS 高频面试题

1. 什么是 CAS？它的底层原理是什么？

CAS（Compare-And-Swap）是比较并交换的缩写，是一种无锁的原子操作，用于实现多线程同步。它包含三个操作数：内存地址 V、预期原值 A 和新值 B。当且仅当 V 的值等于 A 时，才将 V 的值更新为 B，否则不修改值。整个操作是原子的，由 CPU 硬件指令保证。

在 Java 中，CAS 通过 Unsafe类调用本地方法，最终由 CPU 的原子指令（如 x86 的 CMPXCHG）实现。

2. Java 中哪些类使用了 CAS？

Java 中的 java.util.concurrent.atomic包下的原子类，如：

AtomicInteger
AtomicLong
AtomicBoolean
AtomicReference
以及它们的数组版本，如 AtomicIntegerArray

此外，JUC 中的许多同步工具（如 ReentrantLock、CountDownLatch、Semaphore）的底层实现也依赖 CAS。

3. CAS 和 synchronized 有什么区别？各自优缺点是什么？

对比维度	CAS	synchronized
实现机制	无锁，基于硬件原子指令	有锁，基于监视器锁（Monitor）
阻塞性	非阻塞，线程不会挂起	阻塞，未获取锁的线程会被挂起
线程状态	不会进入阻塞态，一直处于就绪或运行	可能进入 BLOCKED 或 WAITING 状态
性能	高并发下可能自旋消耗 CPU	高并发下线程切换开销大
适用场景	低冲突、简单原子操作	复杂同步逻辑、临界区较大

CAS 优点： 无锁、并发性能高、避免线程上下文切换

CAS 缺点： ABA 问题、自旋可能浪费 CPU、只能保证单个变量的原子性

4. 什么是 CAS 的 ABA 问题？如何解决？

ABA 问题：

线程 1 读取内存值为 A，准备将其更新为 B；但在它执行 CAS 之前，线程 2 将值从 A 改为 B，又改回 A。此时线程 1 执行 CAS，发现当前值仍是 A，于是更新成功，但实际上中间已经发生过变更。

解决方法：

使用 带版本号的原子引用类，如 AtomicStampedReference或 AtomicMarkableReference，在比较值的同时也检查版本号或标记位，从而识别出值是否被更改过。

示例：

AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);// 更新时同时检查值和版本号
int stamp = ref.getStamp();
ref.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);