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基础概念类

原理与实现类

1. 请简要解释一下 CAS 是什么？

   • CAS 即比较并交换（Compare-And-Swap），是一种无锁算法。它包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。执行 CAS 操作时，它会先比较内存位置 V 中的值是否和预期原值 A 相等，如果相等，就将内存位置 V 的值更新为新值 B；如果不相等，说明该值已被其他线程修改，当前操作失败，通常会重试操作。

2. CAS 和传统锁机制（如 synchronized）有什么区别？

   • 阻塞 vs 非阻塞：传统锁机制（如 synchronized）是阻塞式的，当一个线程获取不到锁时会被阻塞挂起，直到锁被释放；而 CAS 是非阻塞的，它不会让线程进入阻塞状态，失败后可以选择重试或者放弃。
   • 性能方面：在竞争不激烈的情况下，CAS 的性能通常优于传统锁，因为它避免了线程上下文切换的开销；但在竞争激烈时，CAS 可能会因为频繁重试而导致性能下降。
   • 使用场景：传统锁适用于临界区代码执行时间较长、竞争激烈的场景；CAS 适用于临界区代码执行时间短、竞争相对不激烈的场景。

3. CAS 是如何实现的，底层依赖什么？

   • 在 Java 中，CAS 操作主要是通过 Unsafe 类来实现的。Unsafe 类提供了一系列的 compareAndSwapXXX 方法，这些方法是 native 方法，最终会调用操作系统的原子指令来保证操作的原子性。在不同的硬件平台上，原子指令的实现方式不同，例如在 x86 架构上使用 cmpxchg 指令。

4. 请用 Java 代码简单模拟一个 CAS 操作。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class SimpleCAS {private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);public boolean compareAndSet(int expect, int update) {return value.compareAndSet(expect, update);}public int getValue() {return value.get();}public static void main(String[] args) {SimpleCAS cas = new SimpleCAS();boolean result = cas.compareAndSet(0, 1);System.out.println("CAS 操作结果: " + result);System.out.println("当前值: " + cas.getValue());}
}

问题与解决方案类

1. CAS 存在哪些问题，如何解决？
   • ABA 问题：一个值从 A 变为 B 又变回 A，CAS 操作会认为值没有发生变化，但实际上已经发生了改变。解决方法是使用带有版本号的原子引用类 AtomicStampedReference，它在进行 CAS 操作时不仅会比较值，还会比较版本号。
   • 循环时间长开销大：在竞争激烈的情况下，CAS 可能会因为多次重试而导致循环时间过长，消耗大量 CPU 资源。可以通过限制重试次数或者使用锁机制来避免这种情况。
   • 只能保证一个共享变量的原子操作：对于多个共享变量的原子操作，CAS 无法直接保证。可以将多个共享变量封装成一个对象，使用 AtomicReference 来保证对象的原子性。

应用场景类

1. 请举例说明 CAS 在 Java 中的应用场景。
   • 原子类：Java 的 java.util.concurrent.atomic 包下提供了很多原子类，如 AtomicInteger、AtomicLong 等，这些类的实现都基于 CAS 操作，用于在多线程环境下实现对基本数据类型的原子更新。
   • 并发容器：例如 ConcurrentHashMap 在 JDK 1.8 及以后的版本中，使用 CAS 来实现部分操作的无锁化，提高了并发性能。
   • 线程安全队列：一些无锁队列的实现也会使用 CAS 来保证入队和出队操作的原子性。