每天一道面试题（15）：谈谈你对CAS的理解

news2024/9/22 5:39:40

CAS（Compare And Swap）机制在并发编程中是一个非常重要的概念，主要用于实现原子性操作，避免使用传统的锁机制，从而提高性能。

CAS 的基本原理

CAS 的核心思想是通过比较当前值与预期值来决定是否执行修改。其流程如下：

读取当前值：获取共享变量的当前值。
比较：将当前值与预期值进行比较。
交换：如果相等，则将共享变量更新为新值；如果不等，则不做任何修改。

这个过程是原子的，意味着在执行期间不会被其他线程中断。

CAS 的优点和缺点

优点：
- 无锁：通过无锁机制避免了传统锁带来的性能损耗。
- 高并发：支持多个线程同时进行操作，减少了上下文切换的开销。
缺点：
- ABA 问题：如果某个线程读取了值 A，然后另一个线程将 A 改为 B 再改回 A，CAS 操作会误以为值没有变化，导致潜在的问题。为了解决这个问题，可以使用版本号或其他标记。
- 性能瓶颈：在高竞争环境下，如果多个线程频繁失败，会导致性能下降。

代码示例

下面是一个使用 CAS 实现的示例：

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class CASExample {
    private static final Unsafe unsafe;
    private static final long stateOffset;

    static {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(CASExample.class.getDeclaredField("state"));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    private volatile int state = 0; // 共享变量

    public void doSomething() {
        int expectedValue = 0;
        int newValue = 1;
        // 使用 CAS 进行原子更新
        while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expectedValue, newValue)) {
            // 如果 CAS 失败，可能需要重新读取预期值
            expectedValue = state; // 重新读取共享变量的当前值
        }
    }
}

应用场景

原子变量类：如 AtomicInteger 和 AtomicLong 等，这些类在内部使用 CAS 来实现原子操作。
并发数据结构：如 ConcurrentHashMap 和 ConcurrentLinkedQueue，在这些数据结构中，CAS 用于确保线程安全的元素插入和删除。