CAS能保证原子性，顺序性，可见性么，原理是什么?

CAS（Compare-And-Swap）操作能保证原子性，但不直接保证顺序性和可见性。它需要配合其他机制（如内存屏障或volatile变量）才能实现完整的并发安全。其核心原理依赖于硬件指令和底层内存模型的支持。以下是详细分析：

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1. 原子性（Atomicity）

• 保证：是

• 原理：
  CAS 是一个硬件级原子指令（如 x86 的 CMPXCHG），由 CPU 直接支持。该操作包含“读取-比较-写入”三个步骤，但在执行时会被合并为一个不可中断的单一指令，确保在多核环境下：

  1. 读取内存值。

  2. 比较当前值是否等于预期值。

  3. 仅当比较成功时写入新值。
     若其他线程中途修改了内存值，CAS 会失败（返回 false），整个过程无中间状态。

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2. 可见性（Visibility）

• 不直接保证，但通常通过底层机制间接实现。

• 原理：

  • CAS 操作本身会触发 CPU 缓存一致性协议（如 MESI），强制其他核心的缓存失效，确保读取的是最新内存值。

  • 在 Java 中，CAS 通常通过 Unsafe 类实现，底层调用 JVM 的 cmpxchg 指令，隐式插入内存屏障（如 lock 前缀指令），刷新写缓冲、使缓存失效，实现写操作的全局可见。

  • 重要前提：
    CAS 操作的目标变量必须声明为 volatile（如 AtomicInteger 内部使用 volatile int value）。否则，其他线程可能看不到 CAS 修改后的值。

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3. 顺序性（Ordering）

• 不直接保证，但可通过内存屏障控制。

• 原理：

  • CAS 的底层指令（如 x86 的 LOCK CMPXCHG）自带 内存屏障效果：

    • 写屏障：确保 CAS 之前的写操作对后续其他线程可见。

    • 读屏障：确保 CAS 之后能读取到最新值。

  • 局限性：
    CAS 仅保证自身操作的原子性和部分内存顺序，不保证非 CAS 操作的顺序（如 a=1; b=2; 仍可能被重排序）。
    在 Java 中，Atomic 类的方法（如 getAndIncrement()）通过组合 volatile 读写 + CAS，利用 volatile 的 happens-before 规则保证顺序性。

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CAS 底层实现原理

以 Java 的 Unsafe.compareAndSwapInt() 为例：

java

 

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// 伪代码：Unsafe.compareAndSwapInt
public final native boolean compareAndSwapInt(
    Object obj, long offset, int expected, int newValue
);

// 底层 x86 指令实现（JVM 内联汇编）：
lock cmpxchg DWORD PTR [obj+offset], newValue

• lock 前缀：
  锁定内存总线（或缓存行），确保操作独占内存，触发缓存一致性协议，隐式加入内存屏障。

• cmpxchg：
  比较 [obj+offset] 处的值是否等于 expected，若相等则写入 newValue。

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CAS 的典型应用

java

 

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// Java AtomicInteger 的自增实现
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, VALUE_OFFSET, 1);
}

// Unsafe.getAndAddInt
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset); // volatile 读，保证可见性
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); // CAS 重试
    return v;
}

1. getIntVolatile 保证读取最新值（可见性）。

2. CAS 确保原子更新。

3. 循环重试解决竞争冲突。

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CAS 的局限性

1. ABA 问题：
   值从 A 变 B 再变回 A，CAS 误判未修改。
   解决方案：使用版本号（如 AtomicStampedReference）。

2. 自旋开销：
   高竞争下长时间循环消耗 CPU。

3. 单变量限制：
   只能保护单个变量，复合操作需锁。

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总结

特性	CAS 是否保证	依赖条件
原子性	✅ 是	硬件指令支持
可见性	⚠️ 间接保证	需配合 volatile 或内存屏障
顺序性	⚠️ 间接保证	需配合内存屏障或 volatile

关键结论：

CAS 通过硬件指令保证原子性，其内存屏障效果和缓存一致性协议间接提供可见性与部分顺序性，但完整并发安全需依赖 volatile 或显式同步（如 synchronized）。在无竞争时性能优于锁，高竞争时需谨慎使用。