Как работает механизм CAS (Compare And Swap)?

Механизм CAS — это атомарная инструкция, используемая в многопоточном программировании для неблокирующего обновления значения. Он состоит из трех операндов:

1. Память (V) - адрес ячейки памяти, которую мы хотим обновить.
2. Ожидаемое значение (A) - значение, которое, по нашему предположению, хранится в V.
3. Новое значение (B) - значение, на которое мы хотим обновить V.

CAS атомарно сравнивает текущее значение в V с ожидаемым значением A. Если они совпадают, то V обновляется на новое значение B. Если нет, то операция завершается неудачей.

Атомарность означает, что операция CAS выполняется как единое неделимое действие, предотвращая состояние гонки между потоками. Если несколько потоков пытаются выполнить CAS на одной и той же ячейке памяти одновременно, только один преуспеет в обновлении значения, а остальные получат статус "неудачно".

Вот как это выглядит на псевдокоде:

pseudo

В Java механизм CAS реализуется низкоуровневыми методами из пакета java.util.concurrent.atomic, такими как compareAndSet(). Эти методы используют аппаратные инструкции процессора для обеспечения атомарности.

Пример использования AtomicInteger:

java

Преимущества CAS:

• Неблокирующий: Потоки не блокируются в ожидании освобождения ресурса, что может улучшить производительность в высококонкурентных сценариях.
• Масштабируемость: Работает хорошо на многопроцессорных системах.

Недостатки CAS:

• Проблема ABA: Если значение меняется с A на B, а затем обратно на A до того, как поток выполнит CAS, то CAS подумает, что значение не менялось, хотя это не так. Эта проблема решается использованием счетчиков версий или AtomicStampedReference.
• Циклические попытки (Spinning): В случае частых неудач CAS поток будет многократно пытаться выполнить операцию в цикле, потребляя процессорное время.

В целом, CAS является фундаментальным строительным блоком для создания эффективных и масштабируемых неблокирующих структур данных в Java.