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Java CAS（Compare-And-Swap）概念及原理

1. CAS的基本概念

CAS（Compare-And-Swap）是一种无锁编程的核心技术，用于实现多线程环境下的原子操作。其核心思想是：
“先比较，再交换”。具体操作包含三个参数：

• 内存位置（变量V）
• 预期原值（A）
• 新值（B）

当且仅当内存位置V的值等于预期值A时，才会将V的值更新为B，否则不执行操作。整个过程是原子的，无需加锁即可保证线程安全。

2. Java中的CAS实现

Java通过java.util.concurrent.atomic包中的原子类（如AtomicInteger）提供CAS支持。例如：

AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
boolean success = atomicInt.compareAndSet(0, 1); // 若当前值为0，则更新为1

此处compareAndSet()方法即为CAS操作，底层依赖Unsafe类调用CPU指令（如x86的CMPXCHG）实现原子性。

3. CAS的原理

CAS操作包含以下步骤：

1. 读取内存值：获取变量V的当前值。
2. 比较值：检查V是否等于预期值A。
3. 条件更新：若相等，则将V更新为B；否则，操作失败。

这一过程通过硬件指令（如CAS指令）保证原子性，无需锁机制。

4. CAS的优缺点

• 优点：
  • 避免线程阻塞，提升并发性能。
  • 减少死锁风险（无锁编程）。
• 缺点：
  • ABA问题：变量可能被其他线程修改后又恢复原值（例如A→B→A），导致CAS误判。解决方法：引入版本号（如AtomicStampedReference）。
  • 自旋开销：若竞争激烈，线程可能长时间循环尝试CAS，消耗CPU资源。

5. 示例：线程安全计数器

public class Counter {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public void increment() {int oldValue;do {oldValue = count.get();} while (!count.compareAndSet(oldValue, oldValue + 1));}
}

此处通过循环CAS实现安全的计数器自增，避免了锁的使用。

6. CAS的适用场景

• 多线程环境下的简单原子操作（如计数器、状态标志）。
• 需要高性能且竞争不激烈的场景。
• 替代部分锁机制（如乐观锁）。