多线程（76）CAS操作它如何使得原子类工作

朱雀 2024-05-06 23:22 67阅读 0赞

CAS（Compare-And-Swap或Compare-And-Set）操作是一种重要的并发原语，广泛用于实现无锁编程中的原子操作。CAS操作包含三个基本操作数：内存位置（V）、预期原值（E）和新值（N）。其操作逻辑是：“只有当内存位置V的值与预期原值E相匹配时，才将内存位置V上的值更新为新值N”，这个过程是原子的。如果V的值不等于E，那么操作失败，内存位置V的值不会被更新。此外，CAS通常会返回操作是否成功的标志，有些实现还会返回当前内存位置V的实际值。

#### 如何使得原子类工作 ####

Java的原子类（如`AtomicInteger`、`AtomicLong`等），就是利用了CAS操作来实现线程安全的原子操作。这些类提供了一种机制，可以在没有锁的情况下进行线程安全的更新操作，从而在某些场景下提供比传统锁更好的性能。

#### `AtomicInteger`的例子 ####

以`AtomicInteger`为例，它是基于CAS操作实现的。下面是一个简化的`AtomicInteger`的`getAndIncrement`方法实现，展示了如何使用CAS操作。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        
        private volatile int value;
    
        public final int getAndIncrement() {
        
            int current;
            do {
        
                current = value; // 当前值
                // CAS操作：比较当前值与内存中的值，如果相同，则更新为current+1
            } while (!compareAndSet(current, current + 1));
            return current;
        }
    
        public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        
            // 假设这是一个原子操作，实际上这一步是由底层硬件指令实现的
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
        }
    
        // 其他方法略去...
    }

在`getAndIncrement`方法中，首先读取当前的`value`值，然后使用CAS操作尝试将其更新为`value+1`。如果在这个过程中`value`被其他线程修改了，`compareAndSet`方法会失败，循环会继续，直到CAS操作成功为止。这种机制确保了即使多个线程同时尝试更新同一个`AtomicInteger`，每次也只有一个线程能够成功，从而保证了操作的原子性。

#### CAS的优点 ####

1.  **性能**：在没有线程竞争的情况下，CAS的性能通常优于锁。因为CAS避免了线程的上下文切换和锁的开销。
2.  **可扩展性**：对于高度竞争的环境，尽管CAS可能会导致大量的CPU循环等待，但它的性能通常仍然优于锁，因为锁可能导致线程挂起和上下文切换。

#### CAS的缺点 ####

1.  **ABA问题**：如果变量V先从A变为B，然后又从B变回A，CAS操作无法识别出变量已经被修改过两次。
2.  **循环时间长开销大**：在高度争用的情况下，CAS操作可能需要多次循环，这会增加CPU的消耗。
3.  **只能保证一个共享变量的原子操作**：如果需要同时更新多个共享变量，就无法使用CAS实现。

为了解决ABA问题，一些原子类提供了带有版本号的CAS操作，如`AtomicStampedReference`，通过检查时间戳或版本号来避免ABA问题。

CAS操作是实现高性能并发控制的关键技术之一。通过精心设计，可以利用CAS操作构建出无锁的数据结构和算法，以提高并发系统的性能和可扩展性。