CAS是什么？

CAS是什么

CAS是Compare-And-Swap(比较并交换)的缩写，是一种轻量级的同步机制，主要用于实现多线程环境下的无锁算法和数据结构，保证了并发安全性，它可以在不适用锁的情况下，对共享数据进行线程安全的操作。（ConcurentHashMap在JDK1.8开始使用的是CAS）

CAS操作主要有三个参数：要更新的内存位置、期望的值和新值。CAS操作的执行过程如下：

• 1、首先，获取要更新的内存位置，记为var
• 2、然后，将期望值expected与var进行比较，如果两者相等，则将内存位置的值var更新为新值new
• 3、如果两者不相等，则说明有其他线程修改了内存位置的值var，此时CAS操作失败，需要重新尝试。

原理相关的Unsafe类

Unsafe类是JDK提供的不安全的类，提供了一些底层操作，包括内存操作、线程调度、对象实例化等。他的作用是让Java可以在底层直接操作内存，从而提高程序的效率。但是，Unsafe类是不安全的，所以只有JDK开发员才使用他，普通开发不建议使用。

由于CAS操作时基于底层硬件支持的原子性指令来实现的，所以它可以保证操作的原子性和线程安全性，同时也可以避免使用锁带来的性能开销。CAS主要用于并发编程中，比如实现无锁数据结构、实现线程安全的计数器等。

什么时ABA

ABA问题就是在CAS操作过程中，如果变量的值被从A改为B又改为A，而CAS操作是能够成功的，这就可能导致程序出现意外的结果。

解决方案

Java的AtomicStampedReference类，该类通过使用版本号的方式来解决ABA问题，每个共享变量都会关联一个版本号，CAS操作时需要同时检查值和版本号是否匹配。因此，如果共享变量被改变了，版本号就会发生变化，即使共享变量变为原来的值，版本号不同，CAS操作会失败。

CPU空转

为什么出现CPU空转

如果某个线程一直在自旋等待，会浪费CPU资源。

解决

当一个线程请求获取锁时，如果已经持有锁，那就计数器加1，否则使用CAS操作获取锁，避免使用synchronized关键字或ReentrantLock等锁的实现机制。

当线程获取失败，自旋等待，避免立刻进入阻塞状态，避免线程上下文的开销，当重试小于10时，使用自旋方式，当重试次数大于10时，就阻塞等待，这样可以在多线程环境下保证线程的公平性和效率。

释放锁时，如果计数器大于0，就减一，释放一次减一次，否则将锁的拥有者设置为null，唤醒其他线程。这样确保在多个线程持有锁的情况下，正确释放锁资源，并唤醒其他等待线程，保证线程正确性和公平性。

应用场景

在并发编程中广泛应用，通常实现乐观锁和无锁算法：
1、线程安全计数器
2、队列：并发编程中，队列经常用于线程之间的数据交换。使用CAS可以实现无锁的非阻塞队列。
3、数据库并发控制
4、自旋锁
5、线程池：多线程编程中，线程池可以提高线程的使用效率，使用CAS操作可以避免对线程池的加锁，从而提高线程池的并发性能。

CAS真的完全没加锁吗？

CAS是一个无锁机制的操作，底层是通过Unsafe类使用native本地方法进行CAS操作，但是硬件层面CAS是如何保证原子性？真的完全没加锁吗？
底层来看，CAS操作通常使用cmpxchg指令实现的。
这个指令如何保证原子性？

• 1、cmpxchg指令是一个原子指令，在CPU执行cmpxchg指令时，处理器会自动锁定总线，防止其他CPU访问共享变量，然后执行比较和交换操作，最后释放总线。
• 2、cmpxchg指令在执行期间，CPU会自动禁止中断。这样确保CAS原子性，避免中断和其他干扰对操作的影响。
• 3、cmpxchg指令是硬件实现的，可以保证原子性和正确性。CPU中的硬件电路确保了cmpxchg指令的正确执行，以及对共享变量的访问是原子的。

所以操作系统层面，CAS会加锁，通过加锁的方式锁定总线，避免其他CPU访问共享变量。