CAS是对一种处理器指令(例如x86处理器中的cmpxchg指令)的称呼。 不少多线程相关的Java标准库类的实现最终都会借助CAS。虽然在实际工作中 多数情况下我们并不需要直接使用CAS, 但是理解CAS有助于我们更好地理解相关标准库类， 以便恰当地使用它们。保障像自增这种比较简单的操作的原子性我们有更好的选择一CAS算法。
CAS全称Compare And Swap(比较与替换)，是一种"无锁"算法。在不使用java.util.concurrent包下的原子类就是通过CAS来实现乐观锁。
CAS算法：总共由三个操作数，一个内存值v，一个线程本地内存旧值a（期望操作前的值）和一个新值b，在操作期间先拿旧值a和内存值v比较有没有发生变化，如果没有发生变化，才能内存值v更新成新值b，发生了变化则不交换。循环CAS算法则是不停的执行CAS操作。一般情况下，“更新”是一个不断重试的操作。
由偏向锁→轻量级锁→自旋锁→重量级锁。 其中轻量级锁采用的就是类似于cas算法来实现的。
根据定义我们可以看出各属性的作用：
unsafe： 获取并操作内存的数据。
valueOffset： 存储value在AtomicInteger中的偏移量。
value： 存储AtomicInteger的int值，该属性需要借助volatile关键字保证其在线程间是可见的。接下来，我们查看AtomicInteger的自增函数incrementAndGet()的源码时，发现自增函数底层调用的是unsafe.getAndAddInt()。
// AtomicInteger 自增方法
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
// Unsafe.class
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;
}
// ------------------------- OpenJDK 8 -------------------------
// Unsafe.java
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;
}
源码我们可以看出，getAndAddInt()循环获取给定对象o中的偏移量处的值v，然后判断内存值是否等于v。如果相等则将内存值设置为 v + delta，否则返回false，继续循环进行重试，直到设置成功才能退出循环，并且将旧值返回。整个“比较+更新”操作封装在compareAndSwapInt()中，在JNI里是借助于一个CPU指令完成的，属于原子操作，可以保证多个线程都能够看到同一个变量的修改值。
后续JDK通过CPU的cmpxchg指令，去比较寄存器中的 A 和 内存中的值 V。如果相等，就把要写入的新值 B 存入内存中。如果不相等，就将内存值 V 赋值给寄存器中的值 A。然后通过Java代码中的while循环再次调用cmpxchg指令进行重试，直到设置成功为止。
CAS虽然很高效，但是它也存在三大问题，这里也简单说一下：
ABA问题。CAS需要在操作值的时候检查内存值是否发生变化，没有发生变化才会更新内存值。但是如果内存值原来是A，后来变成了B，然后又变成了A，那么CAS进行检查时会发现值没有发生变化，但是实际上是有变化的。ABA问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从“A－B－A”变成了“1A－2B－3A”。
JDK从1.5开始提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题，具体操作封装在compareAndSet()中。compareAndSet()首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等，如果都相等，则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。
如果当前引用 == 预期引用，并且当前标志等于预期标志，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。其中参数代表：expectedReference - 该引用的预期值；newReference - 该引用的新值；
expectedStamp - 该标志的预期值；newStamp - 该标志的新值。
循环时间长开销大。CAS操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给CPU带来非常大的开销。如果JVM能支持处理器提供pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时，CAS能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS是无法保证操作的原子性的。
Java从1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
然后自己也模拟了一个:
/**
* 模拟cas算法
*/
public class TestCompareAndSwap {
public static void main(String[] args) {
final CompareAndSwap cas=new CompareAndSwap();
for(int i=0;i<10;i++){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int expectValue=cas.get();
boolean b = cas.compareAndSet(expectValue, (int) (Math.random() * 10));
System.out.println(b);
}
}).start();
}
}
}
class CompareAndSwap{
private int value;
//获取内存值
public synchronized int get(){
return value;
}
//比较
public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue,int newValue){
int oldValue=value;
if(oldValue == expectedValue){
this.value=newValue;
}
return oldValue;
}
//设置
public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue,int newValue){
return expectedValue==compareAndSwap(expectedValue,newValue);
}
}
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