CAS的概念
CAS的全称是：比较并交换（Compare And Swap）。在CAS中，有这样三个值：
- V：要更新的变量(var)
- E：预期值(expected)
- N：新值(new)
比较并交换的过程如下：
判断V是否等于E，如果等于，将V的值设置为N；如果不等，说明已经有其它线程更新了V，则当前线程放弃更新，什么都不做。
CAS的过程
我们以一个简单的例子来解释这个过程：
- 如果有一个多个线程共享的变量i原本等于5，我现在在线程A中，想把它设置为新的值6;
我们使用CAS来做这个事情； - 首先我们用i去与5对比，发现它等于5，说明没有被其它线程改过，那我就把它设置为新的值6，此次CAS成功，i的值被设置成了6；
- 如果不等于5，说明i被其它线程改过了（比如现在i的值为2），那么我就什么也不做，此次CAS失败，i的值仍然为2。
- 在这个例子中，i就是V，5就是E，6就是N。
那有没有可能我在判断了i为5之后，正准备更新它的新值的时候，被其它线程更改了i的值呢？
不会的。因为CAS是一种原子操作，它是一种系统原语，是一条CPU的原子指令，从CPU层面保证它的原子性
当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败，但失败的线程并不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。
通过AtomicInteger看CAS实现原理
首先我们看一下java.util.concurrent.atomic这个包，这个包里有很多类
这里我们以AtomicInteger类的getAndSet(int newValue)方法为例，来看看Java是如何实现原子操作的。
/**
* Atomically sets to the given value and returns the old value.
*
* @param newValue the new value
* @return the previous value
*/
public final int getAndSet(int newValue) {
return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
unsafe是sun.misc包里面的一个类。
package sun.misc;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Modifier;
import java.security.ProtectionDomain;
import sun.reflect.CallerSensitive;
import sun.reflect.Reflection;
public final class Unsafe { }
所以说getAndSet()方法是调用的unsafe的getAndSetInt()方法。在Unsafe类中有很多native方法，众所周知，native方法Java就不负责具体实现它，而是交给底层的JVM使用c或者c++去实现。Unsafe中对CAS的实现是C++写的，它的具体实现和操作系统、CPU都有关系。
public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));
return var5;
}
我们来一步步解析这段源码。首先，对象var1是一个AtomicInteger对象。然后var2是一个常量VALUE，这个常量是在AtomicInteger类中声明的，var4是新值。
继续看源码。前面我们讲到，CAS是“无锁”的基础，它允许更新失败。所以经常会与while循环搭配，在失败后不断去重试。
这里声明了一个var5，也就是要返回的值。从getAndAddInt来看，它返回的应该是原来的值，而新的值的等于var5 + var4。
这里使用的是do-while循环。这种循环不多见，它的目的是保证循环体内的语句至少会被执行一遍。这样才能保证return的var5值是我们期望的值。
ABA问题
所谓ABA问题，就是一个值原来是A，变成了B，又变回了A。这个时候使用CAS是检查不出变化的，但实际上却被更新了两次。
ABA问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。从JDK 1.5开始，JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference类来解决ABA问题。
这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果二者都相等，才使用CAS设置为新的值和标志。
/**
* Atomically sets the value of both the reference and stamp
* to the given update values if the
* current reference is {@code ==} to the expected reference
* and the current stamp is equal to the expected stamp.
*
* @param expectedReference the expected value of the reference
* @param newReference the new value for the reference
* @param expectedStamp the expected value of the stamp
* @param newStamp the new value for the stamp
* @return {@code true} if successful
*/
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
循环时间长开销大问题
CAS多与自旋结合。如果自旋CAS长时间不成功，会占用大量的CPU资源。
解决思路是让JVM支持处理器提供的pause指令。
pause指令能让自旋失败时cpu睡眠一小段时间再继续自旋，从而使得读操作的频率低很多,为解决内存顺序冲突而导致的CPU流水线重排的代价也会小很多。
只能保证一个共享变量的原子操作
这个问题你可能已经知道怎么解决了。有两种解决方案：
- 使用JDK 1.5开始就提供的
AtomicReference类保证对象之间的原子性，把多个变量放到一个对象里面进行CAS操作； - 使用锁。锁内的临界区代码可以保证只有当前线程能操作。
参考文章
- 《Java并发编程的艺术》
- 《JAVA并发编程实战》
