小白都能看懂的CAS基本原理与实战应用指南

灬沙师弟

发布于 2023-07-08 17:17:41

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发布于 2023-07-08 17:17:41

文章被收录于专栏：Java面试教程Java面试教程

引言

最近有个读者问我什么是CAS，今天了不起来聊聊CAS(Compare And Swap)这个概念。

它在日常编程中非常有用，特别是在多线程编程中。

本篇文章将从原理介绍、源码分析、实战应用等方面进行阐述。

一、CAS原理介绍

CAS(Compare And Swap)是一种用于实现无锁并发算法的技术。

大多数时候它也还有其他叫法：无锁优化、自旋、乐观锁

它的核心思想是：通过比较当前需要修改的值与预期原来的值，如果相等，则使用新值进行替换。

这个过程是原子性的，它底层是靠C语言依赖的操作系统的原子操作来保证原子性的，即在这个过程中不会被其他线程打断。

在Java中，CAS操作主要是通过 java.util.concurrent.atomic包中的原子类来实现的，如 AtomicInteger、AtomicLong等。

原理示例

假设有一个整数变量 count，初始值为0。现在有两个线程A和B同时对 count进行加1操作。使用CAS操作可以确保 count最终的值为2。

线程A读取 count的值，得到0。
线程B读取 count的值，得到0。
线程A将 count的值与预期值0进行比较，相等，则将 count的值更新为1。
线程B将 count的值与预期值0进行比较，不相等（因为已经被线程A更新为1），则重试。
线程B重新读取 count的值，得到1。
线程B将 count的值与预期值1进行比较，相等，则将 count的值更新为2。

最终，count的值为2，实现了无锁并发操作。

二、源码分析

以 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger为例，这个类提供了一个原子的整数值，可以用于实现无锁的整数操作。我们来看一下它的 compareAndSet方法的源码：

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

这里的 unsafe是一个 sun.misc.Unsafe类型的对象，它提供了底层的CAS操作。valueOffset是一个静态常量，表示 AtomicInteger内部的 value字段的内存偏移量。expect是预期值，update是新值。这个方法会返回一个布尔值，表示操作是否成功。

小结：

atomicXXX类

Compare and Set/Swap 比较并且设定
cas(V,Expected,NewValue)

if V == E

V == New otherwise try again or fail

CPU原语支持 atomic底层调用到UnSafe这个方法，三个参数V就是当前版本值，Expected期望值，NewValue赋予的新值。只有当V等于E的时候才将新的值赋给这个变量，又因为它是原语支持是CPU级别的，是一个原子操作，所以在设值时不会有其他线程来插队设值。

三、实战应用

我们来看一个实际的例子，如何使用 AtomicInteger实现一个无锁的计数器。

public class Counter {
    /*volatile*/ //int count1 = 0;

    AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    /*synchronized*/ void m() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++)
            //if count1.get() < 1000
            count.incrementAndGet(); //count1++
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter t = new Counter();

        List<Thread> threads = new ArrayList<Thread>();

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads.add(new Thread(t::m, "thread-" + i));
        }

        threads.forEach((o) -> o.start());

        threads.forEach((o) -> {
            try {
                o.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        System.out.println(t.count);

    }

}