一、CAS是什么？

CAS是compare and swap的简称，从字面上理解就是比较并更新，这是一个实现并发算法时常用到的一种技术。简单来说：从某一个内存上取V，和预期值A进行比较，如果内存V和预期值A的结果相等，那么我们就把新值B更新到内存，如果不相等，那么就重复上述操作直到成功为止。这是一种实现并发算法时常用到的技术，是乐观锁（与之相对synchronized是一种悲观锁）。

二、原理

CAS操作需要有三个操作数：内存地址V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B

CAS指令执行时，当且仅当内存地址V的值与预期值A相等时，将内存地址V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

三、具体实现方式

Java中的Atomic系列就是使用CAS实现的，以下就以AtomicInteger为例来看下Java的实现过程：

3.1 属性

private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    //内存偏移地址
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
	
	//变量用volatile修饰
    private volatile int value;

3.2 自增

对当前的值自增1

    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

这里调用了Unsafe的一个方法，实现如下：

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;
    }

这里又调用了本类的compareAndSwapInt方法：

 public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

这个方法利用CAS操作，将var4和内存偏移到的变量进行对比，如果相等，那么将这个地址所代表的变量设置为var5，否则返回false

四、CAS优点和缺点

4.1 缺点

4.1.1 ABA问题

假如线程1从内存X中取出A，这时候另一线程2也从X中取出A，并且线程2进行了一些操作将内存X中的值变成了B，然后线程2又将内存X中的数据变成A，这时候线程1进行CAS操作发现内存X中仍然是A，然后线程1操作成功。虽然线程1的CAS操作成功，但是整个过程是有问题的。比如链表的头在变化了两次后恢复了原值，但是不代表链表没有发生变化。

所以JAVA中提供了AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference来处理会发生ABA问题的场景，主要是在对象中额外再增加一个标记来标识对象是否有过变更。

4.1.2 循环时间开销很大

CAS通常是配合无限循环一起使用的，如果CAS失败，会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功，可能会给CPU带来很大的开销。

4.1.3 只能保证一个变量的原子操作

当对一个变量进行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个变量进行操作时，CAS目前无法直接保证操作的原子性。但是我们可以通过以下两种方式来解决：

使用互斥锁来保证原子性
将多个变量封装成对象，通过AtomicReference来保证原子性。

4.2 优点

和Synchronized相比，省去了挂起线程、恢复线程的开销，资源耗费少

Java CAS