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Java并发编程：CAS操作

news 来源：原创 2025/6/27 15:13:23

1. 简介

CAS 全称是 Compare-and-Swap，即比较加交换，假设我们要对内存中的某个地址进行 CAS 操作，该地址当前值是 V，我们给定预期值 A 和新值 B，如果 V == A，那么就将该地址的值更新为 B 并返回 true，否则什么也不做只返回 false，不过这些步骤必须要原子地进行；从 CAS 的执行过程我们可以看到，CAS 的本质就是原子地对某一个内存地址先进行一致性检查，如果一致性检查通过，则执行写入操作，返回成功，如果一致性检查不通过，则返回失败，通知调用方，该内存地址发生了冲突。CAS 是如何保证操作时原子的呢，这是由底层处理器的原子原语来保证的，因此能否执行 CAS 操作，需要 CPU 的支持，当然现代的处理器都时支持 CAS 操作的，处理器提供的 CMPXCHG 指令就是执行 CAS 操作的。Java 对 CAS 的支持是通过 sun.misc.Unsafe 类来支持的，Unsafe 内部提供了本地方法用于对内存中的某一个地址执行 CAS 操作。

2. CAS 的优势和局限性

CAS的优势

CAS 支持对某一个内存地址进行原子的检查 + 更新的复合操作，在很多场合下，可以代替系统互斥量和信号量，减少应用程序的系统调用，并且可以大大减少锁的使用，无锁的非阻塞同步算法就是基于 CAS 进行设计和实现的，这些非阻塞同步算法能够大大提升系统的并发性能和可伸缩性，并且能够很好地防止活跃性故障的发生。

CAS的局限性

CAS 只能对一个内存地址的值进行单一的检查 + 改写的原子操作，因此使用 CAS 进行同步算法设计非常复杂，需要引入复杂的数据结构，这些复杂性会带来很多额外的开销，并且极易出错；
CAS 操作很难将多个对像的多个调用组合成一次原子调用，随着需要同步的变量数增加，使用 CAS 来设计无锁同步算法的复杂度就会指数级上升，最终变得不可能。因此，CAS 适合应用于共享变量很少的场合。
使用 CAS 设计的同步算法可能带来 ABA 问题，为了解决 ABA 问题会引入额外的性能开销。注意并非 CAS 本身具有ABA问题，而是基于 CAS 设计的同步算法。

ABA问题

下面的代码是 CAS 的典型应用模式，在第 7 行，将原子变量 v 的值保存在本地的副本 oldVal 上面，用于后面做一致性检查，第 8 行计算新值，第 9 行执行 CAS 操作，如果在执行 CAS 操作的时候发现 v 的值与本地的副本 oldVal 不相等，那么说明检测到了冲突，有其他线程正在并发调用 calac 方法，那么就要进行失败重试，但是有一种情况，也发生了冲突，但是却能够通过一致性检查，比如当前线程执行完第7行（此时 v 的值是 A，oldVal 的值也是 A）但还未执行第9行时，有1个线程成功将 v 值从 A 改成了 B，而另外一个线程又成功将 v 的值从 B 改回 A，v 的值发生 A -> B -> A 的变化，这时当前线程执行到第9行，因为 v 的当前值等于其副本 oldVal，所以成功通过了一致性检查，成功更新了 v 的值，这时候就发生了 ABA 错误，ABA 错误导致冲突检查机制失效，当前线程并未检测到实际已经发生了的冲突。

 1 -> 	public class Demo {2 -> 	3 -> 		private final AtomicInteger v = new AtomicInteger();4 -> 	5 -> 		public void calac() {6 -> 			while (true) {7 -> 				int oldVal = v.get();8 -> 				int newVal = calacNewVal(oldVal);9 -> 				if(v.compareAndSet(oldVal, newVal)) {
10 -> 					break;
11 -> 				}
12 -> 			}
13 -> 		}
14 -> 	
15 -> 		int calacNewVal(int oldVal) {
16 -> 	    	...
17 -> 		}
18 -> 	}

ABA 问题并不是一定会发生，当原子变量的值不会重复时，比如变量的值是单调增加或单调递减的，这种情况下就不会出现 ABA 问题。一般我们使用原子变量是用来做同步计数器，因此它的值是递增的，所以当使用原子变量做计数器时无需担心 ABA 问题，但是对于原子引用类 AtomicReference，因为它的值（引用地址）是完全随机的，而且 AtomicReference 一般应用于各种无锁的链式数据结构中，因此需要考虑解决 ABA 问题，JDK 也提供了带有版本戳的原子引用类 AtomicStampedReference，能够避免 AtomicReference 的 ABA 问题，但同时也带来了额外的存储空间消耗和性能开销。

1. 简介

2. CAS 的优势和局限性

CAS的优势

CAS的局限性

ABA问题

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