Java并发：CAS原子操作与线程安全

"本文主要探讨了Java并发编程中的一些关键概念，特别是原子操作和CAS（Compare and Swap）机制，以及其在synchronized关键字优化中的作用。文中提到了JDK1.6对synchronized的改进，如引入偏向锁和轻量级锁，以提高并发性能。此外，还解释了自旋CAS的工作原理，以及它如何避免用户态和核心态之间的切换开销。文章还解答了关于CAS原子性与线程安全性的疑惑，强调了处理器在确保原子操作方面的角色。" 在Java并发编程中，synchronized关键字是实现线程安全的重要手段，尤其是在JDK1.6之后的优化，使得其性能接近于显式锁ReentrantLock。优化的关键在于引入了偏向锁和轻量级锁。偏向锁假设一个线程连续多次获得锁，那么在一段时间内，该锁将仅对这个线程保持“偏向”，减少了锁的获取和释放开销。轻量级锁则在没有竞争的情况下，使用CAS操作替代重量级锁的锁状态切换，避免了线程阻塞和唤醒的开销。 CAS操作是原子性的基础，它包括三个参数：V（内存地址）、A（预期值）和B（新值）。当V的当前值与A相匹配时，才会将V的值更新为B。若不匹配，则不做任何改变。由于这一过程在硬件层面保证了原子性，因此即使多个线程尝试执行CAS，也只有发现预期值与实际值相匹配的线程能够成功修改内存，并返回true，其他线程会失败并重试。 自旋CAS是当一个线程尝试获取锁时，如果锁已被占用，它会进入一个循环等待，而不是立即阻塞。这样，一旦锁释放，线程就可以立即尝试重新获取，而不需要从操作系统恢复上下文。这种策略减少了上下文切换，提高了性能，尤其在锁的持有时间很短时。 关于线程安全性，尽管多个线程可能同时尝试使用CAS操作，但只有第一个成功更新内存的线程才能继续执行后续的同步代码。这是因为在处理器级别，CAS操作提供了内存的互斥访问。在多处理器系统中，处理器可能会使用总线锁或测试并设置指令来实现这一目的，确保在更新内存时，其他处理器无法访问同一内存位置。此外，现代处理器还支持缓存一致性协议，保证了多核环境下共享数据的即时可见性，确保所有线程看到的都是最新的内存状态。 CAS操作的原子性确保了即使在多线程环境中，只有一个线程能够修改共享变量，从而实现了线程安全。结合自旋等待和处理器的底层支持，CAS成为了一种高效且无锁的并发控制机制，广泛应用于Java并发编程中，如在synchronized的优化策略和自定义锁的实现中。