用伪代码描述 CAS 算法的核心操作过程。

八股文_Java并发基础题 0 3

参考回答**

CAS（Compare and Swap）是一种无锁的原子操作，用于处理并发场景中的数据更新。它的核心思想是：首先读取变量的当前值，然后与预期值进行比较，如果值相同，则将其更新为新值。如果比较失败，则重复此过程直到成功。

伪代码示例：

boolean CAS(AtomicInteger variable, int expectedValue, int newValue) {
    int currentValue = variable.get(); // 读取当前值
    if (currentValue == expectedValue) {
        return variable.compareAndSet(expectedValue, newValue); // 比较并交换
    }
    return false; // 如果值不相同，则返回 false
}

步骤：

获取当前变量的值。
将当前值与预期值进行比较。
如果相等，尝试将该值更新为新值。
如果不等，返回操作失败。

详细讲解与拓展

CAS 算法的核心原理

CAS 操作包括三个主要步骤：

读取当前值：从内存中读取当前变量的值。
比较：将当前值与期望值进行比较。如果它们相等，则继续进行更新操作。
交换：如果当前值与期望值相同，执行更新操作，将变量的值替换为新的值。如果不相等，则表示有其他线程已经修改了该变量，需要重新获取当前值并重试。

CAS 的伪代码：

// variable: 要更新的变量
// expectedValue: 期望的当前值
// newValue: 需要更新的新值
boolean CAS(AtomicInteger variable, int expectedValue, int newValue) {
    int currentValue = variable.get(); // 获取当前变量的值
    if (currentValue == expectedValue) { // 如果当前值与期望值相同
        // 执行原子交换操作
        return variable.compareAndSet(expectedValue, newValue);
    }
    return false; // 不相等，返回 false，表示更新失败
}

CAS 的工作方式

CAS 操作的执行流程如下：

线程 A 读取变量 x 的值为 10，并希望将其更新为 20，此时 expectedValue = 10，newValue = 20。
线程 B 也读取变量 x 的值为 10，并希望将其更新为 30，此时 expectedValue = 10，newValue = 30。
线程 A 执行 CAS 操作时发现当前值为 10，与期望值一致，成功将 x 更新为 20。
线程 B 执行 CAS 操作时发现当前值为 20，与期望值 10 不一致，因此 CAS 操作失败，需要重新读取最新值并重试。

这种方法的优点是避免了使用锁来同步线程，因此在没有竞争的情况下，CAS 操作可以非常高效。

CAS 的优势与局限

优势：
- 无锁：CAS 操作是一种无锁的原子操作，不需要使用 synchronized 或其他锁机制来保证原子性，从而避免了线程的上下文切换。
- 高效：特别适用于高并发场景，减少了锁的竞争，提高了性能。
局限：
1. ABA 问题：如果一个值从 A 改为 B，再改回 A，CAS 会误认为值没有变化，因此会执行错误的操作。这个问题可以通过引入版本号或时间戳来解决，例如使用 AtomicStampedReference。
2. 自旋问题：CAS 操作在竞争激烈的情况下会不断失败并重试，这会造成CPU资源的浪费，即所谓的自旋（Spin）。在高并发情况下，过度的自旋可能导致性能下降。

CAS 的应用示例

在 Java 中，AtomicInteger 使用 CAS 来确保 getAndIncrement 操作的原子性。它的实现示例如下：

public class AtomicInteger {
    private volatile int value;

    public int getAndIncrement() {
        int current;
        int next;
        do {
            current = value;  // 获取当前值
            next = current + 1;  // 计算新值
        } while (!compareAndSet(current, next));  // 如果当前值与期望值相同，则设置为新值
        return current;
    }

    private boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
        // 尝试将 value 从 expectedValue 更新为 newValue
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expectedValue, newValue);
    }
}

通过 CAS 操作，getAndIncrement 能够在高并发环境下正确地更新值，并保持线程安全。

拓展：CAS 相关概念

ABA 问题解决方案：使用 AtomicStampedReference 或 AtomicMarkableReference 来为变量引入版本号或者标记位，这样即使变量的值发生变化，CAS 仍然可以正确判断。
CAS 与锁的对比：
- CAS：避免了锁的竞争，在低冲突场景下性能更好。
- 锁：适合较复杂的操作，能够确保线程的同步，但会带来较高的性能开销和资源消耗。
自旋锁与 CAS：自旋锁依赖于 CAS 操作来实现原子性，但在高并发时可能导致 CPU 资源的浪费，因此在有竞争的情况下，使用锁机制（如 ReentrantLock）可能更为合适。