CAS（Compare and Swap）

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一、是什么？

CAS（Compare and Swap）是一种无锁并发原子操作，用于在多线程环境下保证共享变量的原子性更新。其核心逻辑是：

“如果内存位置V的值等于预期值A，则将该位置更新为新值B；否则不更新并返回当前值。”

在Java中，CAS通过sun.misc.Unsafe类的本地方法实现（如compareAndSwapInt），但开发者通常使用java.util.concurrent.atomic包下的工具类（如AtomicInteger）间接操作。

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二、解决什么问题

1. 锁竞争开销：传统锁（如synchronized）在高并发时线程切换开销大，CAS通过硬件级原子指令避免锁竞争。
2. 原子操作需求：解决多线程下i++等非原子操作的安全问题，无需加锁。
3. 死锁风险：无锁机制规避了死锁可能性。

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三、核心方法

在AtomicInteger中的典型方法：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) // JDK标准API
public final int getAndIncrement() // 内部基于CAS实现自增

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四、应用场景

1. 计数器：如网站访问量统计（AtomicLong）。
2. 状态标志：轻量级状态切换（如线程池状态）。
3. 无锁数据结构：ConcurrentHashMap的桶节点更新、LinkedBlockingQueue。
4. 乐观锁：数据库版本号更新、分布式锁（如Redis的Lua脚本）。

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五、Java示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); // 初始值为0
        
        // 模拟10个线程并发自增
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    count.getAndIncrement(); // 内部使用CAS自增
                }
            }).start();
        }
        
        // 等待所有线程结束
        try { Thread.sleep(1000); } 
        catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
        
        System.out.println("最终结果: " + count.get()); // 正确输出10000
    }
}

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六、与锁的区别

特性	CAS	锁（如synchronized）
机制	无锁（硬件级原子指令）	阻塞式锁
线程阻塞	无阻塞（自旋重试）	可能阻塞线程
适用场景	低竞争、简单操作	高竞争、复杂临界区
性能	高并发下吞吐量更高	竞争激烈时性能下降明显
死锁风险	无	可能发生死锁

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七、重要注意事项

1. ABA问题：
   • 问题：值从A→B→A，CAS误认为未被修改。
   • 解决：JDK 8+ 使用AtomicStampedReference添加版本号。

   AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);
   ref.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1); // 检查值+版本号

2. 自旋开销：高竞争时频繁重试消耗CPU资源。
3. 单一变量限制：只能保证单个变量的原子性，复合操作需结合其他机制。
4. JDK 8+增强：
   • LongAdder替代AtomicLong应对高竞争计数器场景（分段CAS）。
   • CompletableFuture内部使用CAS优化异步任务状态更新。

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八、总结

CAS是Java无锁并发的基石，通过硬件指令实现高效原子操作，适用于计数器、状态标志等场景。其优势是高性能、无死锁，但需警惕ABA问题及自旋开销。JDK 8+提供了LongAdder、StampedReference等优化工具，开发者应结合场景选择CAS或锁机制。