Čo je mechanizmus CAS (Compare-And-Swap)?

Mechanizmus CAS (Compare-And-Swap) je atómová operácia, ktorá vykonáva tri akcie:

1. Čítanie aktuálnej hodnoty pamäťovej bunky.
2. Porovnanie prečítanej hodnoty s očakávanou (old value).
3. Ak sa hodnoty zhodujú, zápis novej hodnoty (new value) do bunky.

Všetky tieto akcie sa vykonávajú ako jedna, nedeliteľná operácia na hardvérovéj úrovni, čo zabraňuje stavom súťaže v multithread prostredí bez použitia explicitných zámkov.

CAS sa používa v triedach z balíka java.util.concurrent.atomic, ako sú AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference.

Príklad pseudokódu pre operáciu compareAndSet(expectedValue, newValue):

// Na základe pseudokódu pre ilustráciu
boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) {
    // Získame aktuálnu hodnotu z pamäti
    int currentValue = memory[address]; // Atómové čítanie

    // Porovnáme aktuálnu hodnotu s očakávanou
    if (currentValue == expectedValue) {
        // Ak sa zhodujú, zapíšeme novú hodnotu
        memory[address] = newValue; // Atómové zápis, ak je porovnanie pravdivé
        return true; // Operácia úspešná
    } else {
        // Ak sa nezhodujú, nič nerobíme
        return false; // Operácia nie je úspešná
    }
}

Výhody CAS:

• Neblokujúce: Tredy, ktoré sa snažia vykonať operáciu CAS, sa navzájom neblokujú priamo (na rozdiel od zámkov). Pri neúspechu môže tretý jednoducho opakovať pokus.
• Vysoký výkon: Na mnohých moderných procesoroch má CAS hardvérovú podporu, čo ho robí veľmi rýchlou operáciou.
• Vyhýbanie sa vzájavným blokáciám: Pretože tretky neudržujú zámky, riziko vzájomného blokovania je eliminované.

Nevýhody CAS:

• Problém ABA: Ak medzi čítaním hodnoty a pokusom o zápis bola hodnota zmenená na B a potom späť na A, operácia CAS bude považovať, že nedošlo ku zmene, hoci k nej došlo. Na riešenie tohto problému sa používajú AtomicStampedReference alebo AtomicMarkableReference, ktoré pridávajú k hodnote značku alebo príznak zmeny.
• Cykly čakania (Spinning): Ak sa operácia CAS vykonáva v cykle, kým neuspeje, môže to viesť k zaťaženiu procesora pri vysokej konkurencii, pretože vlákna opakovane skúšajú vykonať operáciu.

CAS je základným stavebným blokom pre mnoho nebblokujúcich algoritmov v Java Concurrency Framework.