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CAS

CAS（Compare And Set）在当前值等于预期值时，原子地写入新值。它适合把状态变化表达为一次可重试的条件更新。本文以 Java 17/21 为准，先讲更新失败后怎样重试，再解释副作用、ABA 与版本标记。最后区分强弱 CAS 的内存语义，以及原子更新与外部动作的边界。

1. 面试核心

先记住这几条，再读正文

比较并交换。 CAS 在当前值等于预期值时原子写入新值，失败后由调用方重新读取并决定是否重试。
重试与副作用。 updateAndGet 在竞争后会重算新值，所以更新函数应只计算结果，避免重复执行外部动作。卡 · 重试函数与副作用
ABA。 ABA 指状态从 A 变为 B 后又回到 A，单独比较当前值的 CAS 无法发现中间发生过变化。卡 · ABA 问题
版本标记。 AtomicStampedReference 把引用与整数版本一起原子比较，每次变化都推进版本才能检测中间变化。
弱 CAS。 weakCompareAndSetPlain 即使当前值与预期值相同也允许失败，并且只提供 plain 内存语义。卡 · 弱 CAS 与内存语义

2. CAS 的条件更新

余额扣减需要同时满足两个要求：余额足够，以及扣减所依据的余额仍是当前值。CAS 把比较与写入合成一个原子操作，失败后再重新检查：

AtomicInteger balance = new AtomicInteger(100);

boolean withdraw(int amount) {
    while (true) {
        int current = balance.get();
        if (current < amount) {
            return false;
        }
        if (balance.compareAndSet(current, current - amount)) {
            return true;
        }
    }
}

本例假设 amount > 0，初始余额非负。循环先读取余额，不足时返回 false。余额足够时，compareAndSet 检查余额是否仍为 current，相同才写入扣减后的值。

成功的 CAS 是本次扣减生效的时刻，也称为线性化点。强 CAS 失败表示比较时的值与预期值不同。因此，调用方要重新读取余额，并再次检查是否足够，避免用旧余额继续扣减。

多个变量分别执行 CAS 时，各次更新独立生效，无法自动组成事务。如果多个字段需要共同满足业务约束，可以把它们放进不可变对象，再原子替换整个引用。

多字段状态的实现见 Java 原子类。

3. 重试函数与副作用

必会卡 · 为什么 updateAndGet 的函数应无副作用？

更新失败后，原子类会用新读到的值重新计算。放在更新函数中的外部动作也会随之重复，例如下面的审计请求：

value.updateAndGet(current -> {
    auditClient.send(current); // 不安全：函数可能执行多次
    return current + 1;
});

这段函数在一次更新中可以被调用多次，所以 auditClient.send 会重复发送审计请求。类似的日志写入、实际扣款和网络请求，都属于会影响外部状态的副作用。更新函数应只根据输入计算新值，CAS 成功后再执行这些动作。

外部动作还需处理提交边界，见原子更新与外部动作。

4. ABA 问题

必会卡 · 什么是 ABA，什么时候需要处理

CAS 比较的是当前值。有些算法还需要知道：从读取到更新之间，状态是否发生过变化。ABA 就是当前值已经恢复，变化历史却被隐藏的情况。

可以按以下线程交错顺序理解：

线程甲读取引用 A，并保存根据 A 算出的待更新值，随后暂停。
线程乙把 A 替换为 B，再放回同一个 A。
线程甲恢复执行，只比较当前引用时，CAS 仍会成功。

如果待更新值依赖的是旧节点关系，ABA 就会影响正确性。比如，无锁栈的栈顶节点被移除后重新插入，后继已经变化。旧线程仍用先前保存的后继更新栈顶，就会破坏栈的链表结构。

普通计数从 10 变到 11，再回到 10，若算法只关心当前数值，这种变化可以接受。因此，是否处理 ABA，要看节点被移除、复用等历史是否影响算法的判断。

5. 版本号与 `AtomicStampedReference`

必会卡 · 什么是 ABA，什么时候需要处理

需要检测中间变化时，可以把版本和值一起比较。AtomicStampedReference 为引用附带一个整数版本，每次更新同时检查这两个值：

AtomicStampedReference<Node> head =
        new AtomicStampedReference<>(initial, 0);

int[] stamp = new int[1];
Node current = head.get(stamp);
boolean updated = head.compareAndSet(
        current,
        current.next(),
        stamp[0],
        stamp[0] + 1
);