当前位置：首页 > news >正文

CAS相关知识

news 2025/6/20 7:48:40

什么是CAS

在Java中，CAS（Compare And Swap）是一种用于实现无锁并发控制的原子操作。以下是关于Java中CAS的详细解释：

一、CAS的基本概念
CAS操作包括三个关键参数：

内存位置V：这是要操作的变量的当前值所在的内存地址。
旧的预期值A：这是希望进行比较的变量的旧值。
新的值B：如果变量的当前值与预期值相等，希望将其更新为的新值。
CAS操作会比较内存位置V的值与预期值A，如果相等，则将新值B写入内存位置V；如果不相等，则不做任何操作。这个比较和更新的操作是一起完成的，因此具有原子性。

比较和更新的操作是一起完成的，因此具有原子性是如何做到的

原子指令：
现代处理器提供了原子指令，这些指令在执行过程中不会被中断，从而保证了操作的原子性。
CAS操作通常基于处理器的CMPXCHG（Compare and Exchange）指令实现，该指令会比较内存中的值与预期值，如果相等则更新为新值，整个过程是原子的。
内存屏障：
原子指令通常伴随着内存屏障（Memory Barrier），以确保指令的执行顺序和可见性。
内存屏障会阻止处理器对指令进行重排序，从而确保CAS操作的前后指令按照程序员的预期顺序执行。
缓存一致性协议：
在多处理器系统中，==缓存一致性协议（如MESI、MOESI等）==确保了不同处理器之间的缓存数据保持一致。
当一个处理器执行CAS操作时，它会通过缓存一致性协议通知其他处理器更新其缓存中的数据，从而确保整个系统中数据的一致性。

总结:需要深入到计算机指令或者是计算机硬件层面才能完全理解

java中的 aotmoicInt之类的类,是如何使用 CAS 的

其本质就是在一个循环里面不停的调用 cas
因为cas设置成功则成功,设置失败则什么也不做
为了能让这个整数值增加,所以需要需要一直循环执行 cas

CAS 为什么比 synchronized 关键字快

最重要的就是 :CAS操作不会阻塞线程，可以避免线程切换和上下文切换的开销

CAS又会带来什么问题呢?

CAS操作存在ABA问题，即在比较和替换的过程中，变量的值可能经历了从A到B再到A的变化，但CAS操作无法检测到这种变化。为了解决这个问题，可以使用带有版本号的原子变量类（如AtomicStampedReference）来确保变量的正确性。

在CAS操作失败时，通常会通过循环不断尝试执行CAS操作，直到成功为止。这种方式可能会消耗一定的CPU资源，但在某些情况下可以提高系统的性能。

何时选择 cas 何时选择 synchronized

选择CAS的情况：

高并发读，低并发写：
如果你的应用场景中读操作非常频繁，而写操作相对较少，那么CAS可能是一个更好的选择。因为它避免了锁的开销，可以在高并发读的情况下提供更好的性能。
对性能有极高要求：
在一些对性能要求极高的场景下，如高频交易系统或实时计算应用，CAS的无锁特性可以显著减少线程间的竞争和上下文切换，从而提高性能。
需要避免死锁的时候：
使用锁（如synchronized）时，如果锁的顺序不当或存在循环等待的情况，可能会导致死锁。而CAS操作则不会引发死锁问题，因为它不涉及锁的持有和释放。
细粒度锁：
当需要对某个对象的某个字段进行细粒度锁定时，CAS可能是一个更好的选择。它允许你以原子操作的方式更新字段，而不需要锁定整个对象。

选择synchronized的情况：

高并发写：
如果你的应用场景中写操作非常频繁，那么synchronized可能是一个更好的选择。因为锁可以确保数据的一致性和正确性，防止多个线程同时修改共享资源而导致的数据冲突。
代码可读性和维护性：
synchronized关键字在Java中是一种非常常见的同步机制，它的语义清晰易懂，对于维护代码和团队协作来说更为方便。而CAS操作则相对复杂一些，需要理解其背后的原子性和无锁机制。
需要保证数据一致性：
在一些对数据一致性要求非常高的场景下，如银行账户操作或分布式事务处理中，使用锁可以确保数据的一致性和正确性。而CAS操作虽然可以避免锁的开销，但在某些极端情况下可能会导致数据不一致的问题（如ABA问题）。
简化编程模型：
对于一些简单的同步需求，使用synchronized关键字可以简化编程模型。它提供了一种简单直观的方式来确保线程安全，而不需要深入了解底层原子操作或并发控制机制。

synchronized锁我记得是分层级的,一开始是无锁,然后是轻量级锁,最后是重量级锁是么?

无锁状态这是对象的初始状态，表示没有任何线程持有该对象的锁。
偏向锁偏向锁是为了优化只有一个线程访问同步块的场景。当一个线程首次获取锁时，锁会进入偏向锁状态，并在对象头中记录持有锁的线程ID。此后，该线程再次获取锁时，只需比较对象头中的线程ID，无需进行额外的CAS操作，从而降低了获取锁的开销。如果其他线程尝试获取偏向锁，则偏向锁会被撤销，并可能升级为轻量级锁或重量级锁。
轻量级锁轻量级锁是为了在线程交替访问同步块时提高性能。当多个线程竞争偏向锁导致偏向锁被撤销时，锁会进入轻量级锁状态。轻量级锁通过自旋的方式尝试获取锁，如果自旋成功，则线程获取锁并继续执行；如果自旋失败，则锁会膨胀为重量级锁。轻量级锁减少了线程的阻塞和唤醒操作，从而提高了性能。
重量级锁重量级锁是传统的锁机制，当轻量级锁自旋次数达到阈值或竞争过于激烈时，锁会膨胀为重量级锁。重量级锁依赖操作系统的MutexLock实现，线程在获取锁失败后会进入阻塞状态，等待锁释放后被唤醒。重量级锁的性能开销较大，因为它涉及到线程的阻塞和唤醒操作，以及用户态和内核态之间的转换。

此外，锁的状态升级是不可逆的，即锁只能从低级别状态升级到高级别状态，不能降级
因此，在使用synchronized锁时，应尽量避免多线程同时竞争锁，以减少锁升级带来的性能开销。

synchronized 轻量级锁使用的是CAS原理,那么什么情况下会升级重量级锁呢?

自旋次数超过阈值：

在JVM中，轻量级锁默认会尝试自旋一定次数以获取锁。这个自旋次数是一个阈值，如果线程在自旋过程中未能成功获取锁，并且自旋次数超过了这个阈值，那么轻量级锁会升级为重量级锁。
自旋次数的阈值在不同的JVM版本中可能有所不同。例如，在某些版本中，这个阈值可能是10次,此外，JVM还提供了参数（如-XX:PreBlockSpin）来调整这个阈值。