CAS原理

深入理解 CAS 的核心原理，以及它在多线程场景下的工作机制、优缺点和实际应用，我会从基础概念到底层实现，用通俗易懂的方式帮你讲清楚。

 

CAS 核心原理

 

CAS 是 Compare-And-Swap（比较并交换） 的缩写，是一种无锁的原子操作机制，也是实现并发编程的核心思想之一。它的核心目标是：在不使用锁的情况下，保证多线程对共享变量操作的原子性。

 

1. CAS 的基本逻辑

 

CAS 操作涉及三个核心参数：

 

• V：要修改的共享变量（内存地址）
• A：预期值（线程读取到的变量当前值）
• B：新值（线程想要把变量改成的值）

 

CAS 的执行流程可以概括为：

 

线程在更新变量 V 时，先对比 V 的当前值是否等于自己之前读取的预期值 A：

 

• 如果相等，说明没有其他线程修改过这个变量，就把 V 的值更新为新值 B，返回操作成功；
• 如果不相等，说明其他线程已经修改过这个变量，当前线程不做更新，返回操作失败（线程可选择重试、放弃或执行其他逻辑）。

 

 

这个对比 + 交换的过程是CPU 级别的原子指令（如 x86 架构的 cmpxchg 指令），由硬件保证原子性，无需加锁。

 

2. 通俗举例（理解 CAS 逻辑）

 

假设两个线程（线程 1、线程 2）要对共享变量 j=0 执行加 1 操作，用 CAS 实现的过程：

 

1. 线程 1 读取 j 的值为 0（预期值 A=0），准备更新为 1（新值 B=1）；
2. 线程 1 执行 CAS：对比内存中 j 的值是否等于 0 → 是，将 j 改为 1，操作成功；
3. 线程 2 也读取 j 的值为 0（预期值 A=0），准备更新为 1（新值 B=1）；
4. 线程 2 执行 CAS：对比内存中 j 的值（此时已被线程 1 改为 1）≠ 预期值 0 → 操作失败；
5. 线程 2 可选择自旋重试：重新读取 j 的值（现在是 1），再执行 CAS 把 j 改为 2。

 

3. Java 中的 CAS 实现（以 AtomicInteger 为例）

 

Java 中 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类（如 AtomicInteger）就是基于 CAS 实现的，核心依赖 Unsafe 类（提供底层内存操作）。

 

核心代码示例（简化版）：

 

java

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    // 共享变量（volatile 保证可见性）
    private volatile int value;
    // Unsafe 类（JDK 内部类，提供底层 CAS 操作）
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset; // value 变量的内存地址偏移量

    static {
        try {
            // 获取 value 变量在内存中的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // 原子加1操作（核心 CAS 逻辑）
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    // Unsafe 的 getAndAddInt 方法底层逻辑（简化）
    // var1：当前对象（AtomicInteger 实例）
    // var2：value 变量的内存偏移量
    // var4：要增加的值（如1）
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            // 1. 读取当前内存中的值（预期值 A）
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            // 2. 执行 CAS：对比内存值是否等于 var5，是则更新为 var5+var4
            //    循环直到 CAS 成功（自旋）
        } while (!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
    }
}

关键说明：

• value 用 volatile 修饰，保证多线程间的可见性（一个线程修改后，其他线程能立即看到最新值）；
• compareAndSwapInt 是 native 方法，底层调用 CPU 原子指令，保证对比 + 交换的原子性；
• 失败时通过 do-while 循环自旋重试，直到 CAS 成功。

4. CAS 的优缺点

优点

• 无锁开销：无需加锁 / 解锁，避免了线程上下文切换、锁等待的性能损耗；
• 原子性：由硬件指令保证，比锁更高效（尤其高并发低冲突场景）；
• 非阻塞：线程不会被挂起，失败后可重试或放弃，响应性更好。

 

缺点

• ABA 问题：
   
  核心问题：变量值从 A 改为 B，又改回 A，CAS 会认为变量未被修改，导致逻辑错误。
   
  解决方案：使用版本号 / 时间戳（如 AtomicStampedReference），把 “值 + 版本号” 作为对比依据。
• 自旋开销：
   
  高并发高冲突场景下，线程会一直自旋重试，占用 CPU 资源（可限制重试次数或改用锁）。
• 只能保证单一变量的原子性：
   
  CAS 只能操作单个变量，如果是多变量复合操作（如 j = a + b），无法保证原子性，仍需用锁。

 

5. CAS vs 锁（核心区别）

 

特性	CAS（无锁）	synchronized/ReentrantLock（有锁）
核心机制	硬件原子指令 + 自旋	操作系统内核态锁（阻塞 / 唤醒线程）
性能	低冲突时极高，高冲突时下降	低冲突时略差，高冲突时更稳定
适用场景	单一变量原子操作	复合操作、多变量操作
问题	ABA、自旋开销	死锁、上下文切换开销

 

总结

 

1. CAS 是硬件级别的原子操作，通过 “比较预期值 - 交换新值” 实现无锁原子更新，核心参数是内存地址 V、预期值 A、新值 B；
2. Java 中 AtomicInteger 等原子类基于 CAS 实现，结合 volatile 保证可见性；
3. CAS 优点是无锁高效，缺点是存在 ABA 问题、自旋开销，且仅适用于单一变量操作；
4. 实际开发中，单一变量优先用 CAS（Atomic 类），复合操作优先用锁。