CAS，Compare And Swap，即比较并交换。Doug lea大神在同步组件中大量使用CAS技术鬼斧神工地实现了Java多线程的并发操作。整个AQS同步组件、Atomic原子类操作等等都是以CAS实现的，甚至ConcurrentHashMap在1.8的版本中也调整为了CAS+Synchronized。可以说CAS是整个JUC的基石。
CAS分析
在CAS中有三个参数：内存值V，预期值E，要写入的新值N，当且仅当内存值V等于旧的预期值E时，才会将内存值V修改为N，否则什么都不干，
示意图如下：
我们以AutomicInteger为例来阐述CAS的实现，源码如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
从上面的代码可以看出Unsafe类是CAS的核心，Java无法直接访问底层系统，而是通过本地native方法来访问。不过尽管如此，JVM还是提供了访问方式就是UnSafe，它提供了硬件级别的原子操作。
valueOffset为变量值在内存中的偏移地址，unsafe就是通过偏移地址来得到数据的原值的。
value当前值，使用volatile修饰，保证多线程环境下看见的是同一个。
我们就以AtomicInteger的addAndGet()方法来做说明，先看源代码：
/**
* Atomically adds the given value to the current value.
*
* @param delta the value to add
* @return the updated value
*/
public final int addAndGet(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
内部调用unsafe的getAndAddInt方法，在getAndAddInt方法中主要是看compareAndSwapInt方法：
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
该方法为本地方法，有四个参数，分别代表：对象、对象的地址、预期值、修改值
CAS缺陷
CAS虽然高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方法：循环时间太长、只能保证一个共享变量原子操作、ABA问题。
循环时间太长
如果CAS一直不成功呢？这种情况绝对有可能发生，如果自旋CAS长时间地不成功，则会给CPU带来非常大的开销。在JUC中有些地方就限制了CAS自旋的次数，例如BlockingQueue的SynchronousQueue。
JDK 1.8 中新增的 LongAdder，通过把原值进行拆分，最后再以 sum 的方式，减少 CAS 操作冲突的概率，性能要比 AtomicLong 高出 10 倍左右。
只能保证一个共享变量原子操作
看了CAS的实现就知道这只能针对一个共享变量，如果是多个共享变量就只能使用锁了，当然如果你有办法把多个变量整成一个变量，利用CAS也不错。例如读写锁中state的高地位
ABA问题
CAS需要检查操作值有没有发生改变，如果没有发生改变则更新。但是存在这样一种情况：ABA 问题指的是，线程拿到了最初的预期原值 A，然而在将要进行 CAS 的时候，被其他线程抢占了执行权，把此值从 A 变成了 B，然后其他线程又把此值从 B 变成了 A，然而此时的 A 值已经并非原来的 A 值了，但最初的线程并不知道这个情况，在它进行 CAS 的时候，只对比了预期原值为 A 就进行了修改，这就造成了 ABA 的问题。
以警匪剧为例，假如某人把装了 100W 现金的箱子放在了家里，几分钟之后要拿它去赎人，然而在趁他不注意的时候，进来了一个小偷，用空箱子换走了装满钱的箱子，当某人进来之后看到箱子还是一模一样的，他会以为这就是原来的箱子，就拿着它去赎人了，这种情况肯定有问题，因为箱子已经是空的了，这就是 ABA 的问题。
对于ABA问题其解决方案是加上版本号，即在每个变量都加上一个版本号，每次改变时加1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A。
实际上java提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题，此类维护了一个“版本号” Stamp，每次在比较时不止比较当前值还比较版本号，这样就解决了 ABA 的问题
AtomicStampedReference的compareAndSet()方法定义如下：该方法有4个参数，预期引用、更新后的引用、预期标志、更新后的标志。
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
//预期的引用等于当前引用，预期标识等于当前标识，更新后的引用和标志等于当前引用和标志则返回true，
//否则通过Pair生成一个新的当前pair CAS替换
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
Pair为AtomicStampedReference的内部类，主要用于记录引用和版本戳信息（标识），定义如下：
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
Pair记录着对象的引用和版本戳，版本戳为int型，保持自增。同时Pair是一个不可变对象，其所有属性全部定义为final，对外提供一个of方法，该方法返回一个新建的Pari对象。pair对象定义为volatile，保证多线程环境下的可见性。在AtomicStampedReference中，大多方法都是通过调用Pair的of方法来产生一个新的Pair对象，然后赋值给变量pair。
下面来通过一个例子来说明AtomicInteger和AtomicStampedReference对于ABA问题执行结果
public class ABATest {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<Integer>(100,0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
atomicInteger.compareAndSet(100, 110);
atomicInteger.compareAndSet(110, 100);
}
});
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("AtomicInteger----->" + atomicInteger.compareAndSet(100,110));
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
Thread thread3 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
atomicStampedReference.compareAndSet(100, 110, atomicStampedReference.getStamp(),
atomicStampedReference.getStamp() + 1);
atomicStampedReference.compareAndSet(110, 100, atomicStampedReference.getStamp(),
atomicStampedReference.getStamp() + 1);
}
});
Thread thread4 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
System.out.println("before stamp---->" + stamp);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("after stamp----->" + atomicStampedReference.getStamp());
System.out.println("AtomicStampedReference----->" + atomicStampedReference.compareAndSet(100,110,stamp,stamp+1));
}
});
thread3.start();
thread4.start();
}
}
运行结果如下：
AtomicInteger----->true
before stamp---->0
after stamp----->2
AtomicStampedReference----->false
明显可以看出AtomicInteger执行CAS是成功了，加了stamp的AtomicStampedReference执行CAS是失败的
end，感谢阅读！！！