CAS (Compare-And-Swap) 详解

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CAS（比较并交换）是一个常见的无锁同步机制，它通过原子操作来保证线程间对共享变量的操作一致性。在 Java 中，CAS 被广泛应用于实现高性能的并发控制，尤其是在无锁的原子类中。下面我们将深入了解 Java 中 CAS 的实现原理、相关机制以及常见问题。

1. CAS 的基本原理

CAS 的核心思想是，通过比较当前变量的值是否等于预期值，如果相等则更新为新值。CAS 操作是原子性的，这意味着它是不可中断的，要么成功更新，要么失败重试。

CAS 操作流程：

读取共享变量的当前值。
比较当前值和期望值（预期值），如果相等，表示没有其他线程修改该变量，则将其更新为新值。
如果当前值和期望值不相等，表示在此期间其他线程已经修改了变量，CAS 操作失败，线程会放弃更新，通常会重新读取当前值并再次尝试。

CAS 的实现依赖于 CPU 的硬件支持，通常是通过原子指令（如 CMPXCHG 指令）来实现，保证了操作的原子性。

2. CAS 在 Java 中的实现

在 Java 中，CAS 的实现通常依赖于 sun.misc.Unsafe 类。Unsafe 提供了直接操作内存和执行底层原子操作的能力。

`Unsafe` 类中的 CAS 方法：

Unsafe 类的 compareAndSwap 方法有不同的变体，分别用于操作 Object、int 和 long 类型。以下是一些常用方法的签名：

boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

这些方法的作用是比较 o 对象中指定偏移量的值与期望值（expected）是否相同，如果相同，则将该值更新为新的值（x）。这些方法底层会通过原子指令进行实现，从而确保更新操作的原子性。

`Unsafe` 中的 CAS 示例：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

这段代码展示了如何通过 Unsafe 获取 AtomicInteger 类中 value 字段的内存偏移量，并通过 compareAndSwapInt 方法进行原子操作。这里的 compareAndSet 方法就通过 CAS 来保证 value 值的更新。

3. CAS 的优势和问题

优势：

无锁操作：CAS 无需加锁，避免了传统锁带来的上下文切换和性能开销，特别适用于高并发场景。
原子性：CAS 保证了操作的原子性，多个线程并发时，只有一个线程能够成功更新共享变量。

问题：

尽管 CAS 提供了高效的并发控制机制，但它也存在一些问题，最常见的就是 ABA 问题。

3.1. ABA 问题

CAS 操作的一个关键问题是 ABA 问题。ABA 问题指的是，线程 A 在执行 CAS 操作时，发现某个变量的值与预期值相等，但该值在操作过程中被线程 B 修改过一次，然后再改回原值。此时，CAS 会误认为该变量从未被修改过，导致错误的更新。

举个例子：

线程 A 读取某个变量，假设其值为 A。
线程 B 修改该变量的值为 B，然后再将其修改回 A。
线程 A 通过 CAS 比较后，认为该变量的值仍然是 A，于是更新为新的值。

这种情况可能导致数据不一致。

解决方案：
为了解决 ABA 问题，Java 提供了 AtomicStampedReference 类，它通过引入一个版本号（或时间戳）来标记每次修改，从而避免了 ABA 问题。在 CAS 操作时，不仅要比较值是否相等，还要比较版本号是否一致。

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)));
}