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面試官：CAS都有哪些問題？如何解決？

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CAS 的問題及解決方案
CAS（Compare and Swap）是一種高效的無鎖并發機制，但在實際使用中需注意以下問題及其解決方案：

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1. ABA 問題

問題描述

• 場景：線程 1 讀取共享變量值為 A，此時線程 2 將值修改為 B，后又改回 A。
• 后果：線程 1 執行 CAS 時認為值未被修改（仍為 A），操作成功，但實際變量已被其他線程修改過，可能導致邏輯錯誤。

解決方案

• 版本號機制：為變量附加一個版本號（或時間戳），每次修改遞增版本號，CAS 需同時檢查值和版本號。
• Java 實現：

  AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);// 更新時檢查值 + 版本號
  int oldStamp = ref.getStamp();
  int newValue = 200;
  ref.compareAndSet(100, newValue, oldStamp, oldStamp + 1);
  

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2. 自旋開銷（CPU 資源浪費）

問題描述

• 場景：高并發下多個線程頻繁競爭同一變量，CAS 失敗后線程會循環重試（自旋），導致 CPU 資源浪費。
• 后果：大量線程自旋時，CPU 利用率飆升，系統吞吐量下降。

解決方案

• 自旋優化策略：
  • 限制自旋次數：設定最大自旋次數，超過后改用鎖或阻塞。
  • 退避算法：每次失敗后增加等待時間（如指數退避）。
• 示例代碼（退避）：

  int maxRetries = 10;
  int retries = 0;
  while (!atomicInt.compareAndSet(oldValue, newValue)) {if (retries++ > maxRetries) {// 退化為鎖機制synchronized(lock) { ... }break;}Thread.sleep(1 << retries); // 指數退避
  }
  

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3. 只能保證單個變量的原子性

問題描述

• 場景：需對多個共享變量進行原子更新時，CAS 無法直接實現。
  • 例如：轉賬操作需同時修改“賬戶 A 余額”和“賬戶 B 余額”。

解決方案

• 合并變量：將多個變量封裝為一個對象，用 AtomicReference 原子更新整個對象。
• 鎖機制：對復合操作使用鎖（如 synchronized 或 ReentrantLock）。
• 示例代碼（合并變量）：

  class AccountPair {int balanceA;int balanceB;
  }AtomicReference<AccountPair> pairRef = new AtomicReference<>(new AccountPair());// 原子更新
  AccountPair oldPair = pairRef.get();
  AccountPair newPair = new AccountPair(oldPair.balanceA - 100, oldPair.balanceB + 100);
  pairRef.compareAndSet(oldPair, newPair);
  

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4. 公平性問題

問題描述

• 場景：CAS 是非公平的，無法保證等待時間最長的線程優先執行。
• 后果：高競爭下某些線程可能長期無法獲取資源（饑餓現象）。

解決方案

• 隊列調度：結合隊列機制（如 AQS 的 CLH 隊列），按 FIFO 順序分配資源。
• 公平鎖：使用 ReentrantLock 的公平模式，確保先到先得。

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5. 硬件平臺限制

問題描述

• 場景：某些硬件（如舊 CPU 或嵌入式設備）不支持 CAS 指令。
• 后果：無法直接使用 CAS，需依賴軟件模擬（性能較差）。

解決方案

• 軟件模擬：通過鎖或操作系統提供的原子 API 實現類似功能。
• 平臺適配：使用高層并發庫（如 Java 的 java.util.concurrent），屏蔽底層差異。

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總結

問題	解決方案	適用場景
ABA 問題	版本號（AtomicStampedReference）	需嚴格檢查變量歷史狀態
自旋開銷	退避算法、限制自旋次數、改用鎖	高競爭場景
多變量原子性	合并變量或使用鎖	復合操作需求
公平性	隊列調度或公平鎖	需避免線程饑餓
硬件限制	軟件模擬或高層并發庫	不支持 CAS 的平臺

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