简单理解CAS 是什么？从原理到技术场景

什么是CAS

CAS=Compare And Swap，意思是等值比较交换，比较内存中的值和预期值，如果相等就更新为新值。整个过程是原子的，不会被其他线程打断。在 程序中体现是无锁化的，步骤就是：读取内存值、比较、交换；整个一体为原子性。

CAS原理：

CAS只是在应用上体现无锁，在多核CPU操作下，会通过硬件锁控制，在锁的底层其实系统是对这些操作是有加锁的，如下：

• x86 架构：使用 LOCK CMPXCHG指令，通过总线锁或缓存锁机制确保操作期间内存访问的独占性。
• ARM 架构：通过 LDREX（加载并标记独占访问）和 STREX（尝试存储并解锁）指令组合实现原子性。

操作流程

CAS 操作包含三个不可分割的步骤：

• 读取内存值：从内存地址 V中读取当前值。
• 比较预期值：将读取的值与预期值 A进行比较。
• 条件更新：若相等，则将内存值更新为新值 B；否则放弃操作

这三个步骤在硬件层面作为一个整体执行，不会被线程切换或中断打断。

CAS注意点

1. 一般CAS如果遇到并发是需要自旋重试的，CAS并不适合在多线程场景竞争资源非常激烈的情况操作，否则会一直自旋操作。
2. CAS可能会出现ABA的问题，一般都是通过版本号来控制。

有什么场景使用到原子操作？

原子类在 sun.misc.Unsafe里边有很多原子操作，CAS就是在这里边如compareAndSwapInt。

1. 并发容 器

• ConcurrentHashMap 1.8的一个空桶初始化，使用CAS操作初始化桶。
• ConcurrentLinkedQueue 无锁的入队出队操作。

2. 原子类： AtomicInteger、AtomicLong

• 一般用来多线程的一些计数统计，如整个web应用的访问量，多线程的操作次数等。

3. AQS 框架

• AbstractQueuedSynchronizer（AQS）通过 CAS 操作，同步state状态字段，从而支撑ReentrantLock等。

开发场景

1. 统计接口访问量、用户点击量等高频操作；Web 服务统计、API 调用量监控
2. 线程启动/停止控制

通过 AtomicBoolean实现无锁状态切换：线程池任务调度

AtomicBoolean isRunning = new AtomicBoolean(false);
public void startTask() {
    if (isRunning.compareAndSet(false, true)) {
        // 启动任务
    }
}

3. 对象字段原子更新

对特定字段（如用户积分字段更新）进行原子操作：

class User {
    private AtomicInteger score = new AtomicInteger(0);
    public void addScore(int points) {
        score.addAndGet(points);
    }
}