Java并发编程之CAS详解

一、CAS的概述

CAS（Compare And Swap），中文名是比较并交换，是一种多线程并发机制，用于实现无锁算法。它包含三个操作数——内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B）。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新成新值。否则，处理器不做任何操作。在任何情况下，都会返回该位置原有的值。CAS是一种乐观锁机制，是对传统锁机制的一种改进。

CAS实现无锁算法的本质是：利用处理器提供的CMPXCHG指令，确保始终有原子性操作的存在。当然，这个操作仅仅是处理器层面的操作。从软件实现层面，Java通过sun.misc.Unsafe类提供了方便的接口实现CAS操作，使得Java中的开发人员可以很方便的使用CAS。

二、CAS操作的示例

2.1 单线程情况下的CAS示例

下面我们来看一个单线程情况下的CAS示例。

public class Singleton {
    private static volatile Singleton instance; // 保证线程安全
    private Singleton() {}
    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) { // 当第一次创建实例时即可使用CAS操作
            synchronized (Singleton.class) { // 加锁保证只有一个线程能创建实例
                if (instance == null) { // 第二次判断实例是否为空
                    instance = new Singleton(); // 创建实例，此处使用CAS操作
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

在这个示例中，我们使用双重检查锁来实现单例模式。当instance为空时，我们会进入到synchronized（Singleton.class）代码块中。在这个代码块中，我们使用if（instance == null）来判断instance是否为空。如果instance依然为空的话，我们就会调用new Singleton()来创建实例。在这个创建实例操作中，我们使用了CAS操作实现对instance赋值。

2.2 多线程情况下的CAS示例

下面我们看一个多线程情况下的CAS示例。

public class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public void increment() {
        while (true) {
            int currentValue = count.get(); // 获取当前值
            int newValue = currentValue + 1; // 进行加1操作
            if (count.compareAndSet(currentValue, newValue)) { // 使用CAS操作进行更新
                break;
            }
        }
    }
}

在这个示例中，我们使用了AtomicInteger来作为计数器。在increment方法中，我们使用while循环来不断重试。在每次循环中，我们使用count.get()获取当前值，然后进行加1操作，将加1后的值存储在newValue中。在更新count的值时，我们使用了count.compareAndSet(currentValue, newValue)方法。这个方法是一个原子性操作，可以确保在多线程情况下，只有一个线程能够修改count的值。

三、总结

通过本文的阐述，我们能够更好的理解CAS操作在Java并发编程中的应用。正是由于CAS操作的高效性和可靠性，让它成为了Java并发编程中不可或缺的一部分。