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wzjs 2025/8/19 2:49:44

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CAS（Compare-And-Swap）的定义与原理

CAS（Compare-And-Swap）是一种原子操作，用于实现多线程环境下的无锁同步。其核心逻辑为：

输入参数：
- 内存地址 V
- 预期原值 A
- 新值 B
操作：
- 若当前内存值等于 A，则将内存值更新为 B；否则不更新。
返回值：
- 返回内存值的旧状态（是否更新成功）。

示例：

int CAS(int *V, int A, int B) {int old = *V;if (old == A) *V = B;return old;
}

CAS在内存分配中的作用

在JVM中，内存分配（尤其是堆内存分配）是多线程高并发场景的典型应用。CAS的作用如下：

1. 管理全局内存指针

场景：使用 指针碰撞（Bump-the-Pointer） 分配内存时，需移动全局指针。
作用：通过CAS原子操作更新指针，确保多线程竞争时的线程安全。

示例：

// 伪代码：使用CAS分配内存
do {old_ptr = current_ptr;                  // 获取当前指针new_ptr = old_ptr + object_size;         // 计算新指针
} while (!CAS(&current_ptr, old_ptr, new_ptr)); // CAS更新指针

2. 维护空闲列表（Free List）

场景：内存不连续时，需从空闲列表中查找可用内存块。
作用：通过CAS操作修改空闲链表的节点指针，避免多线程覆盖。

3. 申请新的TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）

场景：当线程的TLAB用尽时，需从堆中申请新的TLAB内存块。
作用：通过CAS操作更新堆的全局指针，确保线程安全。

线程内存分配的竞争根源

线程在堆内存分配时发生竞争的根本原因是：共享资源的并发访问。

1. 竞争场景

共享堆内存：所有线程共享同一块堆内存区域。
并发分配请求：多线程同时申请内存时，需修改全局指针或空闲列表。

2. 竞争后果

数据不一致：若未同步，多个线程可能覆盖彼此的指针更新。
内存分配错误：导致对象地址重叠或内存泄漏。

3. 传统锁机制的缺陷

阻塞开销：线程挂起/唤醒导致上下文切换，降低性能。
扩展性差：高并发下锁竞争成为瓶颈。

预分配堆内存区域（如TLAB）的解决方案

1. TLAB（Thread-Local Allocation Buffer）机制

原理：
- 为每个线程预分配一小块堆内存（TLAB），线程在TLAB内部分配对象。
- TAB内的分配仅需移动线程本地指针，无需同步。
流程：
1. 初始化：线程首次申请内存时，JVM为其分配一个TLAB（通过CAS从堆获取）。
2. 本地分配：线程在TLAB内通过 bump-the-pointer 快速分配内存。
3. TLAB耗尽：当TLAB剩余空间不足时，重新申请新的TLAB（触发CAS操作）。