Java EE初阶启程记11---CAS

寻星探路

发布于 2025-12-17 19:21:01

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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

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！！！