java cas底层原理
问题描述：java cas底层原理
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小锋
2023-08-28CAS(Compare and Swap)在Java中的底层原理，CAS(Compare and Swap)是一种乐观锁技术，常用于多线程编程中实现无锁数据结构和算法。在Java中，CAS是通过`java.util.concurrent.atomic`包中的类来实现的，如`AtomicInteger`、`AtomicLong`等。CAS的底层原理涉及到CPU指令以及内存模型的概念。
CAS操作包括三个操作数：内存位置(通常是一个变量的内存地址)、期望值和新值。CAS会首先比较内存位置上的值与期望值是否相等，如果相等，则将新值写入内存位置，否则不执行任何操作。CAS操作是原子性的，即整个操作过程不会被其他线程打断。
底层实现涉及到以下几个关键概念：
1. CPU指令：现代处理器提供了原子性的CPU指令，如`CMPXCHG`(Compare and Exchange)指令，用于在单个操作中比较和交换内存位置上的值。
2. 总线锁定：在多核CPU中，为了保证多个核心间的数据一致性，会使用总线锁定机制。当一个核心在执行CAS操作时，会发送锁定信号，其他核心将无法通过总线访问内存位置，从而实现原子性。
3. 缓存一致性协议：现代处理器使用缓存来提高性能，但这也引入了缓存不一致的问题。因此，处理器之间需要一致性协议来保证各级缓存中的数据一致。常见的协议有MESI(Modified, Exclusive, Shared, Invalid)协议。
4. ABA问题：CAS操作在判断内存位置值是否相等时，只考虑了值是否相等，未考虑值是否在操作过程中被修改过。这可能导致ABA问题，即一个值被修改回原值，但是中间可能经历了其他操作。为了解决ABA问题，可以使用版本号等方式来增加判断的准确性。
在Java中，通过`sun.misc.Unsafe`类可以直接调用底层的CAS操作，但这并不推荐，因为不同的JVM实现可能有不同的`Unsafe`实现，容易导致不可移植性和不稳定性。因此，推荐使用`java.util.concurrent.atomic`包中提供的原子类来实现CAS操作，这些类在不同JVM中都有良好的兼容性和稳定性。
综上所述，CAS在Java中的底层原理涉及到CPU指令、总线锁定、缓存一致性协议等概念，通过比较和交换内存位置的值来实现乐观锁的原子操作。尽管CAS操作解决了一些多线程并发问题，但开发者在使用时仍需注意ABA问题以及使用高层次的原子类来确保代码的可移植性和稳定性。
