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wzjs 2025/9/6 15:03:45

常州专业做网站,家居企业网站建设渠道,视频会议系统直播聊天网站开发,金蝶财务软件什么是CAS机制CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）是一种无锁的原子操作，它是现代处理器提供的一种基础同步原语。CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值&…

什么是CAS机制

CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）是一种无锁的原子操作，它是现代处理器提供的一种基础同步原语。CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。

CAS的语义：如果内存位置V的值等于预期原值A，则将该位置更新为新值B，否则不进行任何操作。无论哪种情况，都会返回内存位置V的原始值。

CAS是实现无锁数据结构和算法的基础，它避免了传统锁机制可能导致的线程阻塞、上下文切换等开销。

CAS的工作原理

CAS操作的工作流程如下：

读取：从内存位置V读取当前值
比较：将读取的值与预期值A进行比较
交换：如果相等，将内存位置V的值更新为新值B
返回：返回操作是否成功

CAS操作示例

public class CASExample {private volatile int value = 0;private static final AtomicInteger atomicValue = new AtomicInteger(0);// 使用AtomicInteger的CAS操作public boolean increment() {int current = atomicValue.get();int next = current + 1;// 如果当前值仍然是expected，则更新为nextreturn atomicValue.compareAndSet(current, next);}// 模拟CAS操作的实现public synchronized boolean compareAndSet(int expected, int update) {if (value == expected) {value = update;return true;}return false;}
}

CAS的优缺点

优点

1. 无锁操作

// 使用CAS的无锁操作
public class LockFreeCounter {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public void increment() {count.incrementAndGet(); // 无锁操作}
}// 传统的锁操作
public class LockCounter {private int count = 0;private final Object lock = new Object();public void increment() {synchronized(lock) { // 需要获取锁count++;}}
}

2. 避免线程阻塞

不会导致线程挂起和唤醒
减少上下文切换开销
提高系统吞吐量

3. 死锁免疫

不使用锁，不会发生死锁
简化并发程序设计

缺点

1. ABA问题

public class ABADemo {private AtomicReference<String> reference = new AtomicReference<>("A");public void abaExample() throws InterruptedException {// 线程1Thread t1 = new Thread(() -> {String current = reference.get(); // 读取到"A"try {Thread.sleep(1000); // 模拟处理时间} catch (InterruptedException e) {}// 尝试将"A"改为"B"boolean success = reference.compareAndSet(current, "B");System.out.println("Thread1 CAS result: " + success);});// 线程2Thread t2 = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {}// 将"A"改为"B"reference.compareAndSet("A", "B");// 再将"B"改回"A"reference.compareAndSet("B", "A");System.out.println("Thread2 completed A->B->A");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

2. 循环时间长开销大

public class CASSpinDemo {private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);// 在高竞争场景下，可能产生大量自旋public void highContentionIncrement() {int current;do {current = counter.get();// 如果竞争激烈，这里会不断重试} while (!counter.compareAndSet(current, current + 1));}
}

3. 只能保证一个共享变量的原子操作

// CAS只能操作单个变量
public class SingleVariableCAS {private AtomicInteger x = new AtomicInteger(0);private AtomicInteger y = new AtomicInteger(0);// 无法原子地同时更新x和ypublic void updateBoth() {x.incrementAndGet(); // 原子操作y.incrementAndGet(); // 原子操作// 但两个操作之间不是原子的}
}// 解决方案：使用AtomicReference包装对象
public class MultiVariableCAS {static class Point {final int x, y;Point(int x, int y) { this.x = x; this.y = y; }}private AtomicReference<Point> pointRef = new AtomicReference<>(new Point(0, 0));public void updateBoth(int deltaX, int deltaY) {Point current;Point next;do {current = pointRef.get();next = new Point(current.x + deltaX, current.y + deltaY);} while (!pointRef.compareAndSet(current, next));}
}

ABA问题及解决方案

ABA问题详解

ABA问题是指在CAS操作期间，值从A变为B，然后又变回A，CAS操作会认为值没有发生变化，但实际上值已经被修改过了。

解决方案1：AtomicStampedReference(版本号解决方案)

public class StampedReferenceDemo {private AtomicStampedReference<String> stampedRef = new AtomicStampedReference<>("A", 0);public void solveABAProblem() throws InterruptedException {// 线程1Thread t1 = new Thread(() -> {int[] stampHolder = new int[1];String current = stampedRef.get(stampHolder);int stamp = stampHolder[0];try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {}// 使用版本号进行CASboolean success = stampedRef.compareAndSet(current, "B", stamp, stamp + 1);System.out.println("Thread1 CAS with stamp: " + success);});// 线程2Thread t2 = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) {}int[] stampHolder = new int[1];String current = stampedRef.get(stampHolder);int stamp = stampHolder[0];// A -> BstampedRef.compareAndSet(current, "B", stamp, stamp + 1);// B -> A (版本号已经改变)stampedRef.compareAndSet("B", "A", stamp + 1, stamp + 2);System.out.println("Thread2 completed A->B->A with version update");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

简单来说就是，当线程一启动时，还未执行交换操作被休眠1000ms，此时线程二开始执行交换将A变为B再有B变为A此时的stemp为2，当A恢复执行后发现stemp不是预期的0所以输出
System.out.println("Thread1 CAS with stamp: false");

解决方案2：AtomicMarkableReference（boolean值解决方案和版本号类似）

public class MarkableReferenceDemo {private AtomicMarkableReference<String> markableRef = new AtomicMarkableReference<>("Initial", false);public void useMarkableReference() {// 获取值和标记boolean[] markHolder = new boolean[1];String current = markableRef.get(markHolder);boolean currentMark = markHolder[0];// 带标记的CAS操作boolean success = markableRef.compareAndSet(current, "New Value", currentMark, !currentMark);System.out.println("CAS success: " + success);}
}