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CAS是什么

CAS是Compare-And-Swap(比較并交換)的縮寫，是一種輕量級的同步機制，主要用于實現多線程環境下的無鎖算法和數據結構，保證了并發安全性，它可以在不適用鎖的情況下，對共享數據進行線程安全的操作。（ConcurentHashMap在JDK1.8開始使用的是CAS）

CAS操作主要有三個參數：要更新的內存位置、期望的值和新值。CAS操作的執行過程如下：

• 1、首先，獲取要更新的內存位置，記為var
• 2、然后，將期望值expected與var進行比較，如果兩者相等，則將內存位置的值var更新為新值new
• 3、如果兩者不相等，則說明有其他線程修改了內存位置的值var，此時CAS操作失敗，需要重新嘗試。

原理相關的Unsafe類

Unsafe類是JDK提供的不安全的類，提供了一些底層操作，包括內存操作、線程調度、對象實例化等。他的作用是讓Java可以在底層直接操作內存，從而提高程序的效率。但是，Unsafe類是不安全的，所以只有JDK開發員才使用他，普通開發不建議使用。

由于CAS操作時基于底層硬件支持的原子性指令來實現的，所以它可以保證操作的原子性和線程安全性，同時也可以避免使用鎖帶來的性能開銷。CAS主要用于并發編程中，比如實現無鎖數據結構、實現線程安全的計數器等。

什么時ABA

ABA問題就是在CAS操作過程中，如果變量的值被從A改為B又改為A，而CAS操作是能夠成功的，這就可能導致程序出現意外的結果。

解決方案

Java的AtomicStampedReference類，該類通過使用版本號的方式來解決ABA問題，每個共享變量都會關聯一個版本號，CAS操作時需要同時檢查值和版本號是否匹配。因此，如果共享變量被改變了，版本號就會發生變化，即使共享變量變為原來的值，版本號不同，CAS操作會失敗。

CPU空轉

為什么出現CPU空轉

如果某個線程一直在自旋等待，會浪費CPU資源。

解決

當一個線程請求獲取鎖時，如果已經持有鎖，那就計數器加1，否則使用CAS操作獲取鎖，避免使用synchronized關鍵字或ReentrantLock等鎖的實現機制。

當線程獲取失敗，自旋等待，避免立刻進入阻塞狀態，避免線程上下文的開銷，當重試小于10時，使用自旋方式，當重試次數大于10時，就阻塞等待，這樣可以在多線程環境下保證線程的公平性和效率。

釋放鎖時，如果計數器大于0，就減一，釋放一次減一次，否則將鎖的擁有者設置為null，喚醒其他線程。這樣確保在多個線程持有鎖的情況下，正確釋放鎖資源，并喚醒其他等待線程，保證線程正確性和公平性。

應用場景

在并發編程中廣泛應用，通常實現樂觀鎖和無鎖算法：
1、線程安全計數器
2、隊列：并發編程中，隊列經常用于線程之間的數據交換。使用CAS可以實現無鎖的非阻塞隊列。
3、數據庫并發控制
4、自旋鎖
5、線程池：多線程編程中，線程池可以提高線程的使用效率，使用CAS操作可以避免對線程池的加鎖，從而提高線程池的并發性能。

CAS真的完全沒加鎖嗎？

CAS是一個無鎖機制的操作，底層是通過Unsafe類使用native本地方法進行CAS操作，但是硬件層面CAS是如何保證原子性？真的完全沒加鎖嗎？
底層來看，CAS操作通常使用cmpxchg指令實現的。
這個指令如何保證原子性？

• 1、cmpxchg指令是一個原子指令，在CPU執行cmpxchg指令時，處理器會自動鎖定總線，防止其他CPU訪問共享變量，然后執行比較和交換操作，最后釋放總線。
• 2、cmpxchg指令在執行期間，CPU會自動禁止中斷。這樣確保CAS原子性，避免中斷和其他干擾對操作的影響。
• 3、cmpxchg指令是硬件實現的，可以保證原子性和正確性。CPU中的硬件電路確保了cmpxchg指令的正確執行，以及對共享變量的訪問是原子的。

所以操作系統層面，CAS會加鎖，通過加鎖的方式鎖定總線，避免其他CPU訪問共享變量。