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在Java中什么是CAS机制_Java CAS无锁并发模型解析

P粉602998670
发布: 2025-12-23 18:15:09
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CAS是Java无锁编程的核心机制,通过硬件原子指令比较并交换内存位置的值,需指定内存位置、预期原值和新值三个参数,成功条件为实际值等于预期值;它基于乐观锁思想避免线程阻塞,但存在ABA问题、单变量限制和自旋开销等局限。

在java中什么是cas机制_java cas无锁并发模型解析

CAS(Compare-And-Swap)是Java并发编程中实现无锁操作的核心机制,本质是一种硬件级原子指令,用于在多线程环境下安全地更新共享变量,无需加锁。

CAS的三个关键要素

CAS操作必须同时指定三个参数:

  • 内存位置(V):要操作的共享变量在内存中的地址(如AtomicInteger内部的value字段)
  • 预期原值(A):执行前“认为”该位置当前应存的值
  • 新值(B):希望写入的目标值

只有当V处的实际值等于A时,才把B写入V;否则不修改,返回失败。整个过程由CPU指令(如x86的CMPXCHG)保证原子性,不可中断。

CAS在Java中的典型用法

开发者几乎不直接调用底层Unsafe,而是通过java.util.concurrent.atomic包中的原子类间接使用:

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  • AtomicInteger.compareAndSet(0, 1):若当前值为0,则设为1,返回true/false表示是否成功
  • AtomicReference.compareAndSet(oldObj, newObj):适用于对象引用的无锁更新
  • AtomicStampedReference:为解决ABA问题而设计,带版本戳的CAS

这些类内部都基于Unsafe.compareAndSwapXXX方法,配合volatile字段保障可见性与有序性。

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CAS为什么能实现“无锁”

传统synchronized或ReentrantLock属于悲观锁——假定冲突必然发生,先加锁再操作,失败线程被挂起等待;CAS则是乐观策略:

  • 线程不阻塞,始终处于运行态
  • 失败后可立即重试(自旋),或退避后重试,避免上下文切换开销
  • 适合读多写少、竞争不激烈的场景,吞吐量通常更高

但要注意:高竞争下自旋会浪费CPU,且无法保证单次操作绝对成功,需配合循环逻辑(如getAndIncrement()内部就是do-while自旋)。

CAS的常见局限与应对

它不是银弹,有三个经典短板:

  • ABA问题:变量从A→B→A,CAS误判为未变。可用AtomicStampedReference加入时间戳或版本号缓解
  • 只能更新单个变量:不支持多字段联合原子更新。可通过AtomicReference<object></object>VarHandle(JDK9+)封装多个字段
  • 自旋开销:长时间竞争可能导致CPU空转。JDK8后部分原子类(如LongAdder)改用分段累加+最终合并策略降低争用

基本上就这些。

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