CAS 概述

CAS（Compare And Swap，比较并交换）是并发编程中一种无锁同步机制，它通过硬件层面的原子操作保证多线程环境下变量更新的安全性，避免了传统锁（如 synchronized）带来的线程上下文切换开销，是实现乐观锁的核心技术。

有三个核心参数：

  • 内存地址 V：存储要操作的变量的内存位置
  • 预期值：线程认为当前内存地址 V 中应该存储的值
  • 新值：线程希望将内存地址 V 更新为的值

当且仅当内存地址 V 中的实际值等于预期值 A 时，才将 V 的值更新为 B；否则不做任何操作。保证了原子性。

执行流程

当多线程修改一个共享变量 count 时，假设初始值为 10：

  1. 线程 1 读取 count 的值，记录预期值为 A，计划将其更新为新值 B=11；
  2. 线程 1 执行 CAS 操作：检查 count 的实际值是否等于 A（10）；
    • 若相等：则将 count 更新为 B（11），操作成功
    • 若不相等：说明 count 被其它线程修改过，则不更新，操作失败
  3. 若操作失败，线程可以选择重新读取新值，再次尝试 CAS 或放弃。

底层实现

CAS 的原子性依赖于 CPU 硬件指令，这些指令由 CPU 直接支持，确保比较和交换操作在一个不可分割的步骤中完成，因此无需使用锁就能保证线程安全。

优缺点

优点

  • 无锁开销：避免了线程阻塞导致的上下文切换和调度开销

缺点

  • ABA 问题：变量的值从 A 被改为 B，再改回 A，CAS 会认为值未变（因为预期值 A 与实际值 A 相等），但实际已发生过修改，可能导致逻辑错误。

解决方案：引入版本号，跟踪变量的修改次数。每次更新时不仅比较值，还比较版本号（戳记），确保 “值 + 版本” 均匹配才更新。

  • 循环重试开销，若并发冲突频繁（如大量线程同时修改同一变量），CAS 会不断失败并重试，导致线程长时间占用 CPU，反而降低性能。