CAS（Compare and Swap），即比较并替换，实现并发算法时常用到的一种技术。
CAS 的思想很简单：三个参数，一个当前内存值 V、旧的预期值 A、即将更新的值 B，当且仅当预期值 A 和内存值 V 相同时，将内存值修改为 B 并返回 true，否则什么都不做，并返回 false。
和 CAS 相关的一个概念是原子操作。原子操作是不可被中断的一个或一系列操作。而 CAS 则是 Java 中保证原子操作的一种方式。
从 Java1.5 开始，JDK 的并发包里就提供了一些类来支持原子操作，都是以 Atomic 开头。
volatile 不能保证类似 i++ 这样操作的原子性，CAS 能够保证。
一、原子类使用
以 AtomicInteger 为例，常用 API：
- public final int get()：获取当前的值
- public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
- public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增
- public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减
- public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
相比 Integer 的优势，多线程中让变量自增：
private volatile int count = 0; // 若要线程安全执行执行 count++，需要加锁 public synchronized void increment() { count++; } public int getCount() { return count; }
使用 AtomicInteger 后：
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(); public void increment() { count.incrementAndGet(); } // 使用 AtomicInteger 后，不需要加锁，也可以实现线程安全 public int getCount() { return count.get(); }
二、CAS 问题
CAS 方式为乐观锁，synchronized 为悲观锁。因此使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。
但使用 CAS 方式也会有几个问题：
1.循环时间长开销大
自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。
2.只能保证一个共享变量的原子操作
对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就需要用锁。
从 Java 1.5 开始，JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性。
3.ABA 问题
如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 A，那么使用 CAS 进行检查时则会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么 A->B->A 就会变成 1A->2B->3A。
从 Java 1.5 开始，JDK 提供了 AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference 类来解决 ABA 问题。
三、CAS 实现
public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; } public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) { int v; do { v = getIntVolatile(o, offset); } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); return v; } public native int getIntVolatile(Object o, long offset); public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
最后调用的是 Unsafe 类的方法，主要是 compareAndSwapInt 方法，即 CAS。
查看 Unsafe 的实现：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/fea2c7f50ce8/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt"); oop p = JNIHandles::resolve(obj); jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e; UNSAFE_END
其中核心方法为 Atomic::cmpxchg(x, addr, e)，其中参数 x 是即将更新的值，参数 e 是原内存的值，参数 addr 为内存地址。
查看 Atomic 的实现：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/fea2c7f50ce8/src/share/vm/runtime/atomic.cpp
#include "runtime/atomic.inline.hpp" jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte* dest, jbyte compare_value) { assert(sizeof(jbyte) == 1, "assumption."); uintptr_t dest_addr = (uintptr_t)dest; uintptr_t offset = dest_addr % sizeof(jint); volatile jint* dest_int = (volatile jint*)(dest_addr - offset); jint cur = *dest_int; jbyte* cur_as_bytes = (jbyte*)(&cur); jint new_val = cur; jbyte* new_val_as_bytes = (jbyte*)(&new_val); new_val_as_bytes[offset] = exchange_value; while (cur_as_bytes[offset] == compare_value) { jint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur); if (res == cur) break; cur = res; new_val = cur; new_val_as_bytes[offset] = exchange_value; } return cur_as_bytes[offset]; }
查看 atomic_linux_x86.inline.hpp，不同系统、不同 CPU 有不同的实现：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/fea2c7f50ce8/src/share/vm/runtime/atomic.inline.hpp
Linux 的 x86 实现：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/fea2c7f50ce8/src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { int mp = os::is_MP(); __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)" : "=a" (exchange_value) : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp) : "cc", "memory"); return exchange_value; }
Windows 的 x86 实现：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/fea2c7f50ce8/src/os_cpu/windows_x86/vm/atomic_windows_x86.inline.hpp
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { // alternative for InterlockedCompareExchange int mp = os::is_MP(); __asm { mov edx, dest mov ecx, exchange_value mov eax, compare_value LOCK_IF_MP(mp) cmpxchg dword ptr [edx], ecx } } // Adding a lock prefix to an instruction on MP machine // VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line // so we can't insert a label after the lock prefix. // By emitting a lock prefix, we can define a label after it. #define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \ __asm je L0 \ __asm _emit 0xF0 \ __asm L0: