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1、什么是 CAS
在Java中，CAS（Compare and Swap）是一种并发编程中常用的技术。它是通过原子操作来实现无锁并发的一种机制。在Java中，CAS通常使用 java.util.concurrent.atomic 包中的原子类来实现。
CAS操作包含三个参数：内存地址、期望值和新值。它会比较内存地址中的值与期望值，如果相等，则将内存地址中的值替换为新值。整个操作是原子性的，不会被其他线程干扰。
在Java中，常用的CAS操作是使用 AtomicInteger 、 AtomicLong 、 AtomicReference 等原子类。这些类提供了一系列的原子操作方法，如 compareAndSet() 用于比较和设置值，以实现线程安全的操作。
CAS操作在并发编程中具有重要的作用，可以避免传统锁机制所带来的线程阻塞和上下文切换的开销，提高了并发性能。然而，CAS也存在一些限制和问题，例如ABA问题和自旋次数过多的风险，需要开发者注意和处理。
2、CAS 的优缺点
CAS（Compare and Swap）是一种无锁并发算法，它在并发编程中具有一些优点和缺点。
优点：
- 高性能：CAS操作利用硬件提供的原子指令，避免了传统锁机制的线程阻塞和上下文切换的开销，提高了并发性能。
- 避免死锁：由于CAS操作是无锁的，不会出现死锁问题。
- 原子性：CAS操作是原子性的，保证了操作的一致性，不会被其他线程干扰。
缺点：
- ABA问题：CAS操作无法解决ABA问题，即一个值经历了多次变化后又回到原来的值。这可能导致CAS操作在比较时误判。
- 自旋次数过多：如果CAS操作失败，线程需要重试，可能会导致自旋次数过多，浪费CPU资源。
- 只能针对一个变量：CAS操作只能针对一个变量进行比较和交换，无法支持复杂的操作。
3、CAS 的应用场景
CAS（Compare and Swap）在并发编程中有广泛的应用场景，主要用于实现线程安全的操作和数据结构。以下是一些常见的CAS应用场景：
线程安全计数器：CAS可以用于实现线程安全的计数器，如 AtomicInteger 。多个线程可以通过CAS操作对计数器进行原子性的增减操作，避免了传统锁机制的开销。
非阻塞算法：CAS可以用于实现非阻塞算法，如无锁队列、无锁链表等。通过CAS操作，多个线程可以同时对数据结构进行操作，提高并发性能。
乐观锁：CAS可以用于实现乐观锁机制，即在更新数据之前先比较当前值是否与期望值相等，如果相等则进行更新操作。这种机制可以减少锁的使用，提高并发性能。
状态转换：CAS可以用于实现状态转换，如有限状态机。多个线程可以通过CAS操作对状态进行原子性的切换，保证状态的一致性。
并发容器：CAS可以用于实现线程安全的并发容器，如 ConcurrentHashMap 。通过CAS操作，多个线程可以同时对容器进行读写操作，提高并发性能。
4、CAS 的原理
CAS（Compare and Swap）是一种并发编程中的原子操作，用于实现无锁并发算法。CAS操作涉及三个参数：内存地址（或变量）、期望值和新值。其原理如下：
首先，读取内存地址中的当前值，作为期望值。
- 接着，比较期望值与内存地址中的当前值是否相等。如果相等，则说明在读取和比较的过程中没有其他线程修改过该值，可以进行下一步操作；如果不相等，则说明有其他线程修改了该值，CAS操作失败，需要重试或进行其他处理。
- 如果期望值与当前值相等，将新值写入内存地址中，完成CAS操作。如果写入成功，则CAS操作成功；如果写入失败（可能由于其他线程同时修改了该值），需要重试或进行其他处理。
CAS操作的关键在于利用硬件提供的原子指令，实现对内存地址的读取、比较和写入的原子性操作。通过不断重试，CAS操作可以保证只有一个线程能够成功修改内存地址中的值，从而实现线程安全的并发操作。
需要注意的是，CAS操作可能存在ABA问题，即一个值经历了多次变化后又回到原来的值。为了解决ABA问题，可以使用版本号或标记位等方式对值进行扩展，使得CAS操作能够检测到值的变化历史。
5、什么是 ABA 问题？（面试必问）
ABA问题是一种在并发编程中可能出现的问题，它涉及到共享变量的值经历了多次变化后又回到原来的值，从而导致CAS操作可能出现误判的情况。
具体来说，假设有两个线程A和B同时对一个共享变量进行操作。开始时，共享变量的值为A。线程A首先将该变量的值从A修改为B，然后又将其修改回A。与此同时，线程B将其修改为C。在这个过程中，线程B可能无法察觉到线程A的第二次修改，因为最终的值与线程B期望的值相同，导致CAS操作成功。
ABA问题可能会导致一些潜在的问题，例如在使用CAS实现的无锁数据结构中，可能会发生数据不一致的情况。为了解决ABA问题，可以使用一些手段来增加值的标识，使得CAS操作能够检测到值的变化历史。
一种常见的解决方案是引入版本号或标记位。每次对共享变量进行修改时，都会增加一个递增的版本号。这样，在进行CAS操作时，除了比较值是否相等，还需要比较版本号是否一致。如果版本号不一致，说明共享变量的值已经发生了变化，CAS操作会失败。
另一种解决方案是使用带有时间戳的变量。每次对共享变量进行修改时，都会记录当前的时间戳。在进行CAS操作时，除了比较值是否相等，还需要比较时间戳是否一致。如果时间戳不一致，说明共享变量的值已经发生了变化，CAS操作会失败。
通过引入版本号、标记位或时间戳等机制，可以解决ABA问题，确保CAS操作的准确性和可靠性。
6、CAS 的代码案例
代码案例如下：
package com.pany.camp.cas;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
*
* @description: CAS
* @copyright: @Copyright (c) 2022
* @company: Aiocloud
* @author: pany
* @version: 1.0.0
* @createTime: 2023-07-01 17:58
*/
public class CASExample {
private static AtomicInteger sharedVariable = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
// 创建两个线程，分别进行CAS操作
Thread thread1 = new Thread(() -> {
int expectedValue = sharedVariable.get(); // 获取共享变量的当前值
int newValue = expectedValue + 1; // 修改共享变量的值
boolean success = sharedVariable.compareAndSet(expectedValue, newValue); // 使用CAS操作进行原子性更新
if (success) {
System.out.println("Thread 1: CAS operation successful");
} else {
System.out.println("Thread 1: CAS operation failed");
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
int expectedValue = sharedVariable.get(); // 获取共享变量的当前值
int newValue = expectedValue + 1; // 修改共享变量的值
boolean success = sharedVariable.compareAndSet(expectedValue, newValue); // 使用CAS操作进行原子性更新
if (success) {
System.out.println("Thread 2: CAS operation successful");
} else {
System.out.println("Thread 2: CAS operation failed");
}
});
// 启动线程
thread1.start();
thread2.start();
try {
// 等待线程执行完毕
thread1.join();
thread2.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 输出最终的共享变量值
System.out.println("Final value of shared variable: " + sharedVariable.get());
}
}
输出如下：
Thread 2: CAS operation successful
Thread 1: CAS operation successful
Final value of shared variable: 2
Process finished with exit code 0
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