Java CAS 机制详解
一、CAS 概述
• 定义：Compare-And-Swap（比较并交换），一种无锁并发控制机制，属于乐观锁范畴。 • 核心思想：通过比较内存值与期望值是否一致来决定是否更新，若一致则更新，否则重试或放弃。
二、Java 中 CAS 的实现
1. Unsafe 类
• 作用：提供底层原子操作（位于 sun.misc.Unsafe），直接操作内存和硬件指令。
• 关键方法：
• compareAndSwapObject()：原子更新对象引用。
• compareAndSwapInt()：原子更新 int 类型。
• compareAndSwapLong()：原子更新 long 类型。
• 特点：
• Native 方法：通过 JNI 调用本地代码（C++/内联汇编），依赖 CPU 指令（如 x86 的 CMPXCHG）。
• 不推荐直接使用：设计为 JVM 内部使用，普通开发者应通过 java.util.concurrent.atomic 包间接使用。
2. Atomic 原子类
• 实现原理：基于 Unsafe 的 CAS 方法实现无锁线程安全。
• 示例：AtomicInteger 核心源码分析：
• 字段偏移量：静态初始化时通过 Unsafe.objectFieldOffset() 获取 value 字段的内存偏移量。
• volatile 保证可见性：private volatile int value。
• 原子方法：
java public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); }
• 自旋机制：例如 getAndAddInt() 通过循环 + CAS 实现原子递增。
三、CAS 的三大问题及解决方案
1. ABA 问题
• 原因：变量被其他线程修改为 B 后又改回 A，CAS 无法感知中间变化。
• 解决方案：
• 版本号/时间戳：使用 AtomicStampedReference，在比较值的同时检查版本戳。
• 示例：
java public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) { Pair<V> current = pair; return expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp && ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); }
2. 循环时间长开销大
• 原因：高并发下 CAS 失败频繁，导致自旋消耗 CPU 资源。
• 优化手段：
• CPU 指令支持：pause 指令（延迟流水线执行、避免内存顺序冲突）。
• 适应性自旋：JVM 根据历史成功率动态调整自旋次数。
3. 只能保证单一变量的原子性
• 限制：无法直接对多个变量进行原子操作。
• 解决方案：
• 封装对象：使用 AtomicReference 将多个变量封装为单一对象。
• 显式锁：通过 synchronized 或 ReentrantLock 保证复合操作的原子性。
四、CAS 的应用场景
- 原子类：如
AtomicInteger、AtomicLong等。 - 并发容器：
ConcurrentHashMap的桶节点操作。 - 无锁数据结构：无锁队列、栈等高性能数据结构。
五、总结
• 优势：避免线程阻塞，提升高并发场景性能。 • 劣势：需处理 ABA 问题、自旋开销、多变量限制。 • 适用性：适合竞争不激烈的场景，替代部分锁的使用以提升效率。
