Was ist der CAS-Mechanismus (Compare-And-Swap)?

Der Compare-And-Swap (CAS)-Mechanismus ist eine atomare Maschinenoperation, die zur Implementierung von lockfreier Synchronisation verwendet wird.

Funktionsprinzip:

1. Liest den aktuellen Wert der Speicherzelle (expectedValue).
2. Versucht, einen neuen Wert (newValue) in diese Zelle zu schreiben nur, wenn der aktuelle Wert mit expectedValue übereinstimmt.
3. Gibt einen booleschen Wert zurück: true, wenn die Schreiboperation erfolgreich war (d.h. die Werte stimmten überein), false sonst.

In Java ist CAS in Klassen des Pakets java.util.concurrent.atomic implementiert, z.B. AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference.

Beispiel für die Verwendung von 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(); // Liest den aktuellen Wert
            int newValue = expectedValue + 1;
            if (count.compareAndSet(expectedValue, newValue)) {
                // Wenn der aktuelle Wert sich seit dem Lesen nicht geändert hat,
                // führt die Schreiboperation aus und verlässt die Schleife
                break;
            }
            // Wenn sich der Wert geändert hat, wiederholt es die Versuche
        }
    }
}

Vorteile:

• Nicht blockierend: Threads blockieren einander nicht, was die Kontextwechselkosten reduziert, besonders bei geringer Konkurrenz.
• Vermeidet Probleme mit Deadlocks.

Nachteile:

• ABA-Problem: Wenn sich der Wert der Zelle von A auf B ändert und dann wieder auf A, denkt CAS, dass keine Änderung stattgefunden hat. Zur Lösung dieses Problems werden Klassen wie AtomicStampedReference oder AtomicMarkableReference verwendet.
• Es kann zu vielen erfolglosen Versuchen (Spin-Loops) bei hoher Konkurrenz kommen.