Java中的CAS(Compare-And-Swap)操作示例详解_Java

java面试题 - 什么是java 的 cas(compare-and-swap)操作?

什么是cas操作？

cas（compare-and-swap，比较并交换）是一种原子操作，用于在多线程环境中实现无锁（lock-free）的线程安全编程。它是现代并发编程中的基础操作之一，java中的许多并发工具类（如atomicinteger、atomicreference等）都是基于cas实现的。

cas操作包含三个操作数：

内存位置（v）
预期原值（a）
新值（b）

当且仅当内存位置v的值等于预期原值a时，处理器才会将该位置的值更新为新值b，否则不执行任何操作。无论哪种情况，都会返回该位置原来的值。

cas操作的基本流程

java中的cas实现

在java中，cas操作主要通过sun.misc.unsafe类提供的一系列方法实现，这些方法最终会调用本地（native）方法，由jvm借助cpu的cas指令完成。

java并发包（java.util.concurrent.atomic）中的原子类（如atomicinteger）提供了对cas操作的封装：

public class atomicinteger extends number implements java.io.serializable {
    private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();
    private volatile int value;
    public final boolean compareandset(int expect, int update) {
        return unsafe.compareandswapint(this, valueoffset, expect, update);
    }
    // 其他方法...
}

cas操作示例

下面是一个使用atomicinteger的简单示例：

import java.util.concurrent.atomic.atomicinteger;
public class casexample {
    private static atomicinteger counter = new atomicinteger(0);
    public static void main(string[] args) {
        // 初始值为0
        system.out.println("初始值: " + counter.get());
        // 尝试将0更新为1（会成功）
        boolean success1 = counter.compareandset(0, 1);
        system.out.println("cas(0,1)结果: " + success1 + ", 当前值: " + counter.get());
        // 尝试将0更新为2（会失败，因为当前值已经是1）
        boolean success2 = counter.compareandset(0, 2);
        system.out.println("cas(0,2)结果: " + success2 + ", 当前值: " + counter.get());
    }
}

输出结果：

初始值: 0
cas(0,1)结果: true, 当前值: 1
cas(0,2)结果: false, 当前值: 1

cas的典型应用场景

原子类：如atomicinteger、atomiclong、atomicreference等
并发容器：如concurrenthashmap的部分实现
锁机制：如aqs（abstractqueuedsynchronizer）的实现基础
计数器：无锁的线程安全计数器

cas的优缺点

优点

高性能：避免了线程阻塞和上下文切换的开销
无锁：减少了死锁的可能性
可扩展性：在高并发环境下表现良好

缺点

aba问题：如果一个值从a变成b，然后又变回a，cas会认为它没有变化过
- 解决方案：使用版本号或时间戳（如atomicstampedreference）

循环时间长开销大：如果cas失败，通常会循环重试，长时间不成功会消耗cpu资源
只能保证一个共享变量的原子操作：对于多个共享变量，需要使用atomicreference来封装

cas与锁的比较

特性	cas	锁
线程阻塞	不会阻塞（乐观锁）	会阻塞（悲观锁）
实现复杂度	较高	相对简单
适用场景	低冲突、简单操作	高冲突、复杂操作
性能	无上下文切换，开销小	有上下文切换，开销大
公平性	不保证公平性	可保证公平性