Что такое механизм CAS (Compare-And-Swap)?

Механизм Compare-And-Swap (CAS) — это атомарная машинная операция, используемая для реализации неблокирующей синхронизации.

Принцип работы:

1. Считывает текущее значение ячейки памяти (expectedValue).
2. Попытается записать новое значение (newValue) в эту ячейку только в том случае, если текущее значение совпадает с expectedValue.
3. Возвращает булево значение: true если запись выполнена успешно (т.е. совпадение было), false в противном случае.

В Java CAS реализован в классах из пакета java.util.concurrent.atomic, например, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference.

Пример использования AtomicInteger:

// java
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CasExample {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        while (true) {
            int expectedValue = count.get(); // Считываем текущее значение
            int newValue = expectedValue + 1;
            if (count.compareAndSet(expectedValue, newValue)) {
                // Если текущее значение не изменилось с момента считывания,
                // выполняем запись и выходим из цикла
                break;
            }
            // Если значение изменилось, повторяем попытку
        }
    }
}

Преимущества:

• Неблокирующий: потоки не блокируют друг друга, уменьшая накладные расходы на переключение контекста, особенно при низкой конкуренции.
• Избегает проблем с взаимными блокировками (deadlock).

Недостатки:

• Проблема ABA: если значение ячейки меняется с A на B, а затем обратно на A, CAS посчитает, что изменений не было. Для решения этой проблемы используются классы типа AtomicStampedReference или AtomicMarkableReference.
• Может возникать большое количество неудачных попыток (spin loops) при высокой конкуренции.