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CAS是“Compare and Swap“(比较并交换)

CAS是"Compare and Swap"(比较并交换)

一,介绍

CAS是"Compare and Swap"(比较并交换)的缩写,是一种多线程同步的原子操作。它基于硬件的原子性保证,用于解决并发环境下的数据竞争和线程安全问题。

CAS操作包括三个参数:内存地址V、旧的预期值A和新的值B。它的执行步骤如下:

  1. 从内存中读取V的当前值;
  2. 比较当前值与预期值A是否相等;
  3. 如果相等,则将V的值更新为B;
  4. 如果不相等,则不做任何操作。

CAS操作是原子的,不会被其他线程中断,因此可以保证数据的一致性和线程安全性。如果CAS操作失败(即当前值与预期值不相等),可以进行重试,直到操作成功为止。

CAS常用于多线程环境下对共享资源的并发控制和同步操作。它可以用来实现一些线程安全的数据结构和算法,比如无锁的队列、计数器等,并且提供了一种高效的方式来处理并发访问的情况,避免了传统锁机制带来的线程切换、上下文切换等开销。

在Java中,java.util.concurrent.atomic包提供了一系列的CAS操作类,如AtomicInteger、AtomicLong等,能够以原子方式对这些类的值进行更新和修改,实现线程安全的操作。

CAS 如何保证线程安全

CAS(Compare and Swap)通过比较内存中的值与预期值来实现线程安全,具体的步骤如下:

  1. 获取内存中的值V;
  2. 比较内存中的值V与预期值A是否相等;
  3. 如果相等,将内存中的值V更新为新的值B;
  4. 如果不相等,则表示其他线程已经修改了内存中的值,此时需要重试或采取其他逻辑。

CAS操作利用底层硬件提供的原子性保证,可以避免传统锁机制中的竞争和阻塞,从而实现了线程安全。

以下是一个使用CAS操作的Java示例代码,展示了如何对共享计数器进行线程安全的自增操作:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicCounter {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public int getCount() {return count.get();}public void increment() {int oldValue;int newValue;do {// 读取内存中的值oldValue = count.get();// 计算新的值newValue = oldValue + 1;// 使用CAS操作进行比较和交换} while (!count.compareAndSet(oldValue, newValue));}
}

在上述示例中,AtomicInteger类提供了原子的自增操作。通过调用compareAndSet(oldValue, newValue)方法,CAS操作会比较内存中的值和预期值,并进行交换。如果比较和交换成功,则完成了线程安全的自增操作;否则,需要重试直到操作成功。

这样,多个线程同时对该计数器进行自增操作时,可以避免竞争条件和数据不一致的问题。CAS操作保证了内存的一致性和线程安全性,避免了传统锁机制中的阻塞和上下文切换开销。

三,源码中所使用到的CAS

在这里插入图片描述

四,Java源码中多少地方用到了CAS

Java源码中广泛使用了CAS(Compare and Swap)操作来实现对共享资源的线程安全访问。以下是一些常见的Java类和接口,它们在实现中使用了CAS操作:

  1. java.util.concurrent.atomic 包:该包中的类,如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等,都是基于CAS操作实现的。这些类提供了原子性的操作方法,避免了使用锁机制带来的竞争和阻塞。

  2. java.util.concurrent.locks 包:该包中的类,如ReentrantLock、StampedLock等,也使用了CAS操作来实现自旋锁、读写锁等并发控制机制。CAS操作可以减少锁的粒度,提高并发性能。

  3. java.util.concurrent 包:该包下的各个辅助类、容器以及框架,如ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue、CountDownLatch等,使用了CAS操作来实现高效的并发控制和线程安全。

  4. java.util.concurrent.atomic.AtomicReference 类:该类通过CAS操作实现对引用类型的原子更新。它可以用于实现无锁的数据结构,或者在需要原子更新引用类型的场景下使用。

  5. java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference 类:该类除了提供CAS操作外,还提供了版本戳(stamp)的概念。它可以用于解决ABA问题,即在CAS操作中避免发生不一致的问题。

除了以上提到的类和接口,还有其他一些Java源码中使用了CAS操作来实现线程安全的机制。CAS操作在并发编程中非常重要,通过原子性的比较和交换,可以有效地避免竞态条件、数据不一致等问题,提高程序的并发性能。

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