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深入理解 CAS：并发编程的原子操作基石

news 2025/9/16 9:49:43

前言：

在多线程并发编程中，保证数据操作的原子性是一个关键问题。传统的锁机制（如synchronized）虽然能够保证原子性，但会带来性能开销和线程阻塞等问题。为了解决这些问题，CAS作为一种乐观锁技术应运而生，凭借其无锁、高效的特性，成为了并发编程领域的重要基石。

一、什么是CAS？

CAS的全称是Compare AndSwap，中文意思是“比较并交换”。CAS 是一种乐观锁技术，它基于硬件原语（如 CPU 的cmpxchg指令）实现，用于在多线程环境下对共享变量进行原子操作。

CAS 操作包含三个核心参数：

内存地址 V：要操作的共享变量在内存中的地址。
预期值 A：线程执行 CAS 操作前，认为该共享变量应有的值。
新值 B：如果共享变量的当前值与预期值 A 一致，线程希望将其更新为的新值。

CAS 的核心逻辑是：比较内存地址 V 中的值与预期值 A 是否相等，如果相等，就将该值更新为新值 B；如果不相等，说明有其他线程修改过该变量，当前线程不进行更新，但会获取变量的最新值，然后重新尝试 CAS 操作（通常是循环重试，即 “自旋”）。整个过程是原子的，不会被其他线程中断。

二、CAS执行流程

CAS操作的执行流程可以概括为”读取-计算-比较并交换“，具体步骤如下：

读取内存位置的当前值作为预期原值A
计算新值B
执行CAS操作，比较内存位置当前值是否仍等于A

a.如果相等，说明变量值未被其他线程修改，执行交换操作,将内存值更新为B；

b.如果不相等，说明变量值已被其他线程修改，操作失败。

4.重试机制：可以通过Java代码中的while循环再次调用cmpxchg指令进行重试，直到设置成功为止。这种"读取-计算-比较并交换"的循环模式就是著名的"自旋"。

三、Unsafe 类

在 Java 中，CAS 机制是通过 sun.misc.Unsafe 类提供的 compareAndSwapXXX() 等 CAS 方法来实现的。sun.misc.Unsafe 是 JDK 提供的一个底层工具类。它提供内存操作、CAS、对象操作等 “不安全” 的功能，让 JDK 能够使用 Java 代码来实现原本需要使用 native 本地方法（C 或 C++）才可以实现的功能。由于该类不应该在 JDK 核心类库之外使用，所以被命名为 Unsafe（不安全）。

Unsafe类提供了 objectFieldOffset() 方法，用于获取某个字段相对 Java 对象的 “起始地址” 的偏移量（内存位置），还有 getInt()、getLong()、getObject() 等方法。可以按照字段偏移量，直接访问内存中 Java 对象的某个字段的内存地址。

四、Unsafe 实现 CAS 的工作原理

AtomicInteger类：

Unsafe类：

首先读取当前对象obj在主内存中的值，并保存到value中，然后通过循环，判断当前对象在主内存中的值是否等于value，如果相同，就自增（交换value与value+val两个值），否则继续循环，重新获取value值。
在上述逻辑中核心方法是compareAndSwapInt(）方法，它是一个native本地方法，通过JNI（Java Native Interface）调用底层C++代码，执行cPU指令是cmpxchg。
在getAndAddInt(）方法中通过do...while循环操作实现自旋锁：当预期值和主内存中的值不等时，就重新获取主内存中的值。

五、基于 CAS 的 AtomicInteger

AtomicInteger是JUC包中基于CAS实现的原子整数类，它提供了一系列原子操作的方法。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;// 获取Unsafe实例private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();// 存储value字段的内存偏移地址private static final long valueOffset;static {try {// 获取value字段的偏移地址valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}// 当前值，使用volatile保证可见性private volatile int value;// CAS更新操作public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}// 原子递增public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;}// 其他原子方法...
}