Javaee—— CAS - 详解

一、什么是CAS

CAS：全称Compareandswap，字面意思：“比较并交换”，一个CAS涉及到以下操作：

我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

1）比较A与V是否相等。（比较）

2）如果比较相等，将B写入V。（交换）

3）返回操作是否成功。

1、CAS伪代码
下面写的代码不是原子的，真实的CAS是一个原子的硬件指令完成的，这个伪代码只是辅助理解CAS 的工作流程。

 boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
     if (&address == expectedValue) {
         &address = swapValue;
     return true;
     }
     return false;
 }

两种典型的不是"原子性"的代码

1）checkandset(if 判定然后设定值)[上面的CAS伪代码就是这种形式]

2）readandupdate(i++)[之前我们讲线程安全的代码例子是这种形式]

当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程，其他线程只会收到操作失败的信号。

CAS可以视为是一种乐观锁。(或者可以理解成CAS是乐观锁的以种实现方式)

二、CAS是怎么实现的

针对不同的操作系统，JVM用到了不同的CAS实现原理，简单来讲：

java的CAS利用的的是unsafe这个类提供的CAS操作；
unsafe的CAS依赖了的是jvm针对不同的操作系统实现的Atomic::cmpxchg；
Atomic::cmpxchg的实现使用了汇编的CAS操作，并使用cpu硬件提供的lock机制保证其原子性。

简而言之，是因为硬件予以了支持，软件层面才能做到。

三、CAS有哪些应用

1、实现原子类

标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包，里面的类都是基于这种方式来实现的，典型的就是AtomicInteger类，其中的getAndIncrement相当于i++操作。

 AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
 // 相当于 i++
 atomicInteger.getAndIncrement();

伪代码实现：

 class AtomicInteger {
     private int value;
     public int getAndIncrement() {
         int oldValue = value;
         while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {
             oldValue = value;
         }
         return oldValue;
     }
 }

假设两个线程同时调用getAndIncrement

1）两个线程都读取value的值到oldValue中。(oldValue是一个局部变量，在栈上，每个线程有自己的栈)

2）线程1先执行CAS操作，由于oldValue和value的值相同，直接进行对value赋值。

#注：
CAS是直接读写内存的，而不是操作寄存器。
CAS的读内存，比较，写内存操作是一条硬件指令，是原子的。

3）线程2再执行CAS操作，第一次CAS的时候发现oldValue和value不相等，不能进行赋值，因此需要进入循环。

在循环里重新读取value的值赋给oldValue

4）线程2接下来第⼆次执行CAS，此时oldValue和value相同，于是直接执行赋值操作。

5）线程1和线程2返回各自的oldValue的值即可。

通过形如上述代码就可以实现一个原子类，不需要使用重量级锁，就可以高效的完成多线程的自增操作。

本来checkandset这样的操作在代码角度不是原子的，但是在硬件层面上可以让一条指令完成这个操作，也就变成原子的了。

2、实现自旋锁
基于CAS实现更灵活的锁，获取到更多的控制权。

自旋锁伪代码

 public class SpinLock {
     private Thread owner = null;
     public void lock(){
         // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有.
         // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就⾃旋等待.
         // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程.
         while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){
         }
     }
     public void unlock (){
         this.owner = null;
     }
 }

四、CAS的ABA问题

这里检测到他的预期值与实际值不一样，不会赋值，就会自旋

1、什么是ABA问题

ABA的问题：

假设存在两个线程t1和t2，有一个共享变量num，初始值为A。

接下来，线程t1想使用CAS把num值改成Z，那么就需要

先读取num的值，记录到oldNum变量中。

使用CAS判定当前num的值是否为A，如果为A，就修改成Z。

但是，在t1执行这两个操作之间，t2线程可能把num的值从A改成了B，又从B改成了A

线程t1的CAS是期望num不变就修改，但是num的值已经被t2给改了，只不过又改成A了，这个时候t1究竟是否要更新num的值为Z呢？

到这一步，t1线程无法区分当前这个变量始终是A，还是经历了一个变化过程。

这就好比，我们买一个手机，无法判定这个手机是刚出厂的新手机，还是别人用旧了，又翻新过的手机。

2、ABA问题引来的BUG

大部分的情况下，t2线程这样的一个反复横跳改动，对于t1是否修改num是没有影响的，但是不排除一些特殊情况。

假设滑稽老哥有100存款，滑稽想从ATM取50块钱，取款机创建了两个线程，并发的来执行-50操作。
我们期望一个线程执行-50成功，另一个线程-50失败。
如果使用CAS的方式来完成这个扣款过程就可能出现问题。
正常的过程：
1）存款100，线程1获取到当前存款值为100，期望更新为50；线程2获取到当前存款值为100，期望更新为50。
2）线程1执行扣款成功，存款被改成50，线程2阻塞等待中。
3）轮到线程2执行了，发现当前存款为50，和之前读到的100不相同，执行失败。
异常的过程：
1）存款100，线程1获取到当前存款值为100，期望更新为50；线程2获取到当前存款值为100，期望更新为50。
2）线程1执行扣款成功，存款被改成50，线程2阻塞等待中。
3）在线程2执行之前，滑稽的朋友正好给滑稽转账50，账户余额变成100！！
4）轮到线程2执行了，发现当前存款为100，和之前读到的100相同，再次执行扣款操作。
这个时候，扣款操作被执行了两次！！！都是ABA问题搞的贵！！！

3、解决方案
给要修改的值，引入版本号，在CAS比较数据当前值和旧值的同时，也要比较版本号是否符合预期

CAS操作在读取旧值的同时,也要读取版本号。

真正修改的时候：

如果当前版本号和读到的版本号相同，则修改数据，并把版本号+1。

如果当前版本号高于读到的版本号，就操作失败(认为数据已经被修改过了)。

这就好比，判定这个手机是否是翻新机，那么就需要收集每个手机的数据，第一次挂在电商网站上的手机记为版本1，以后每次这个手机出现在电商网站上，就把版本号进行递增。这样如果买家不在意这是翻新机，就买，如果买家在意，就可以直接略过。

对比理解上面的转账例子

假设滑稽老哥有100存款，滑稽想从ATM取50块钱，取款机创建了两个线程，并发的来执行-50操作。
我们期望一个线程执行-50成功，另一个线程-50失败。
为了解决ABA问题，给余额搭配一个版本号，初始设为1。

1）存款100，线程1获取到存款值为100，版本号为1，期望更新为50；线程2获取到存款值为100，版本号为1，期望更新为50。

2）线程1执行扣款成功，存款被改成50，版本号改为2，线程2阻塞等待中。

3）在线程2执行之前，滑稽的朋友正好给滑稽转账50，账户余额变成100，版本号变成3。

4）轮到线程2执行了，发现当前存款为100，和之前读到的100相同，但是当前版本号为3，之前读到的版本号为1，版本小于当前版本，认为操作失败。

在Java标准库中提供了 AtomicStampedReference 类，这个类可以对某个类进行包装，在内部就提供了上面描述的版本管理功能。

关于 AtomicStampedReference 的具体⽤法此处不再展开，有需要的同学自行查找文档了解使用方法即可

3.那有什么解决方案？

在 CAS 机制中引入版本号，主要是为了解决ABA 问题：

什么是 ABA 问题？

假设变量值从A被线程 1 改成B，又被线程 2 改回A，此时线程 3 执行 CAS 操作时，会误认为变量从未被修改过（因为预期值A与内存值A相等），但实际上变量已经被修改过两次。这种场景下，CAS 的 “比较 - 交换” 会出现逻辑漏洞。

引入版本号的解决思路

给变量增加一个版本号（或时间戳），每次变量值被修改时，版本号也同步递增。这样，即使变量值从A变回A，版本号也会从n变为n+2，CAS 操作时需同时比较变量值和版本号，确保两者都符合预期才执行更新。

典型实现：`AtomicStampedReference`（Java）

java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference是 Java 中解决 ABA 问题的原子类，核心逻辑如下：

// 初始化：值为"初始值"，版本号为0
AtomicStampedReference asr = new AtomicStampedReference<>("初始值", 0);
// 尝试更新：预期值为"初始值"，预期版本号为0；更新为"新值"，版本号+1
boolean success = asr.compareAndSet(
    "初始值",   // 预期值A
    "新值",     // 新值B
    0,         // 预期版本号
    1          // 新版本号
);

只有当变量当前值等于预期值且当前版本号等于预期版本号时，才会执行更新，同时版本号递增。
若变量值被其他线程修改（即使改回原值），版本号也会变化，从而避免 ABA 问题。

应用场景

适用于变量值可能被反复修改回原值的并发场景，例如：

并发栈的弹出操作（防止栈顶元素被反复修改后误判）。
分布式缓存的原子更新（确保缓存值的修改是基于最新版本）。

特点

原子性通过 CPU 原子指令（如 x86 架构的 cmpxchg 指令）保证 “读取 - 比较 - 更新” 三步操作的原子性，无需加锁即可避免多线程并发修改导致的数据错乱。
非阻塞性属于乐观锁思想，不主动阻塞线程：若操作失败（变量被其他线程修改），线程可以选择重试或放弃，而非被挂起，在竞争不激烈时性能优于 synchronized 等悲观锁。
高效性避免了悲观锁的线程上下文切换和阻塞开销，适合轻量级、高并发的场景（如计数器、原子类操作）。
局限性
- ABA 问题：变量值从 A 被改为 B 再改回 A 时，CAS 会误判为未修改（可通过绑定版本号解决，如 AtomicStampedReference）。
- 自旋开销：若竞争激烈，线程会反复重试 CAS 操作，导致 CPU 资源浪费。
- 单变量原子性：仅能保证单个共享变量的原子操作，无法直接处理多个变量的复合操作。

线程上下文切换（Thread Context Switch）是多线程环境中，CPU 从一个线程切换到另一个线程执行时，保存当前线程状态并加载目标线程状态的过程，是操作系统实现多任务并发的核心机制。

核心逻辑

线程状态：每个线程执行时，CPU 寄存器（如程序计数器、栈指针等）会保存其当前执行位置、局部变量等关键信息（即 “上下文”）。
切换过程：当操作系统调度器决定切换线程时（如时间片用完、线程阻塞等），会先将当前线程的上下文保存到内存（如线程控制块 TCB），再从内存中加载目标线程的上下文到 CPU 寄存器，最终 CPU 开始执行目标线程。

触发场景

时间片轮转：操作系统为每个线程分配时间片（如 10ms），时间片用完后强制切换到其他线程。
线程阻塞：线程执行 I/O 操作（如读写文件、网络请求）、等待锁或 sleep () 时，主动放弃 CPU，触发切换。
优先级调度：高优先级线程就绪时，抢占低优先级线程的 CPU 资源，导致切换。

性能影响

开销来源：上下文切换需要读写内存（保存 / 加载上下文），会消耗 CPU 时间，频繁切换会显著降低程序性能（尤其在高并发场景）。
优化方向：减少不必要的线程创建（控制线程数量）、避免线程频繁阻塞（如使用非阻塞 I/O）、减少锁竞争等，可降低切换频率。

与进程切换的区别

线程上下文切换：同一进程内的线程共享内存空间，切换时只需保存线程私有数据（寄存器、栈等），开销较小。
进程上下文切换：不同进程的内存空间独立，切换时需额外切换页表（内存映射），开销是线程切换的几十倍甚至更多。

posted @ 2025-12-13 14:37 clnchanpin 阅读(47) 评论(0) 收藏举报

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