JUC并发编程之CAS

目录

1.什么是CAS

1.1 CAS的定义

1.2 CAS的应用场景

2. CAS的原理

2.1 比较和交换操作

2.2 CAS的实现原理

2.3 CAS的ABA问题及解决方案

3. Java中的CAS

3.1 java.util.concurrent.atomic 包

3.2 AtomicInteger 与 AtomicLong

3.3 ABA问题的解决：AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference

4. CAS的优缺点

4.1 优点：无锁化、高并发性能

4.2 缺点：自旋次数、ABA问题

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1.什么是CAS

1.1 CAS的定义

CAS，即Compare and Swap，是一种并发编程中用于实现多线程环境下的原子操作的技术。它是一种无锁算法，用于解决多线程环境下的数据同步问题。CAS操作包含三个操作数：内存位置V，旧的预期值A和即将要写入的新值B。只有当内存位置的值与旧的预期值A相等时，才会将新值B写入内存位置V，否则不执行任何操作。CAS操作是原子的，保证了多线程环境下的数据一致性和线程安全性。

1.2 CAS的应用场景

CAS主要用于解决多线程环境下的数据竞争问题，例如在多个线程同时修改共享变量时，会出现数据不一致的情况。CAS常用于以下场景：

• 计数器操作： 在多线程环境下对计数器进行增加或减少操作，保证计数的正确性。
• 并发容器： 在实现并发容器（如并发队列、并发集合）时，保证多线程环境下的数据操作的原子性。
• 线程安全性检查： 在检查和设置对象的状态时，确保状态的正确性。
• 乐观锁实现： 在分布式数据库和缓存中，用于实现乐观锁机制，减少锁竞争。

2. CAS的原理

2.1 比较和交换操作

CAS操作的核心是比较和交换（Compare and Exchange）操作。它通过比较内存位置的当前值与预期值，如果相等，则将新值写入内存位置；否则，不做任何操作。这个过程是原子的，即在进行比较和交换操作期间不会被其他线程中断。

2.2 CAS的实现原理

CAS操作的实现依赖于底层的硬件支持，通常使用处理器提供的原子指令来实现。在现代的多核处理器中，通常使用特定的指令（例如x86架构下的CMPXCHG指令）来执行CAS操作。这些指令保证了在单个指令周期内完成比较和交换操作，从而保证了操作的原子性。

2.3 CAS的ABA问题及解决方案

CAS操作虽然能够保证数据的一致性和线程安全性，但它可能会遇到ABA问题。ABA问题指的是：如果一个值在CAS操作前后都没有发生变化，但是在操作过程中经历了多次变化，可能会导致CAS操作不准确。

解决ABA问题的常见方式是使用版本号或标记位。Java并发包中提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference类来解决这个问题。AtomicStampedReference使用版本号来标记，而AtomicMarkableReference使用布尔标记位。

3. Java中的CAS

3.1 java.util.concurrent.atomic 包

Java提供了java.util.concurrent.atomic包，其中包含了一些基于CAS的原子类，用于在多线程环境下实现原子操作。这些类包括AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等。

3.2 AtomicInteger 与 AtomicLong

AtomicInteger和AtomicLong分别用于整型和长整型的原子操作。它们提供了一系列方法，例如get、set、getAndIncrement、getAndSet等，这些方法能够保证在多线程环境下操作的原子性。

3.3 ABA问题的解决：AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference

为了解决CAS操作可能遇到的ABA问题，Java并发包提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference类。这两个类在CAS操作的基础上，通过引入版本号或标记位，防止了ABA问题的发生。

4. CAS的优缺点

4.1 优点：无锁化、高并发性能

CAS操作是一种无锁算法，相比于传统的锁机制，它减少了线程的阻塞和切换开销，从而提高了并发性能。在高并发环境下，CAS能够更好地利用多核处理器的优势，提高系统的吞吐量。

4.2 缺点：自旋次数、ABA问题

CAS操作的一个缺点是自旋次数可能过多，如果在一定时间内无法成功执行CAS操作，会导致线程不断自旋，浪费CPU资源。另外，CAS操作可能遇到ABA问题，需要使用版本号或标记位来解决。