在Java中，锁在鬓发处理中占据了一席之地，但是使用锁有一个不好的地方，就是当一个线程获取不到锁时会被阻塞挂起，这会导致线程上下文的切换和重新调度开销。Java提供了非阻塞的volatile关键字来解决共享变量的可见性问题，这在一定程度上弥补了锁带来的开销问题，但是volatile只能保证共享变量的可见性，不能解决读——改——写等的原子性问题。CAS即Compare and Swap，是JDK提供的非阻塞原子性操作，他通过硬件保证了比较——更新操作的原子性。
一、Unsafe类
上面提到了CAS是通过硬件保证了比较——更新操作的原子性。那么它是怎么通过硬件来保证的呢？
在Java中提供了很多原子操作类，比如java.util.concurrent.atomic包下的类，比如AtomInteger，跟随AtomInteger的代码我们一路往下，就能发现最终调用的是 sum.misc.Unsafe 这个类。
JDK的rt.jar包中的Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，Unsafe类中的方法都是native方法，它们使用JNI的方式访问本地C++实现库。下面我们来了解一下Unsafe提供的几个重要的方法。
- long objectFieldOffset(Field var1)方法：返回指定的变量在所属类中的内存偏移地址。如下代码使用Unsafe类获取变量value在AtomInteger对象中的内存偏移地址。
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
- boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int except, int update)方法：比较对象（obj）中偏移量为offset的变量的值是否与except相等，如果相等，则将这个变量更新成update，返回true，否则返回false。
二、什么是CAS
CAS: 全称Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，并发的情况下会用到CAS，一个 CAS 涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，更新后的值B。
1、 比较 A 与 V 是否相等。
2、（比较） 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
3、 返回操作是否成功。
举一个例子：假设我们有一个变量value，初始值为A，现在需要将它更新成B，有两个线程同时执行这一操作。假设线程 I 先执行，如果线程 I 通过CAS操作发现value的值仍然为A，没有被其他线程更改过，那么成功的将value值改为B。接下来线程 II 执行CAS操作同样将value的值由A改为B，发现value的值已经不等于A了，那么就操作失败。
2.1、原子操作类的应用
在Java中提供了很多原子操作类，比如AtomicInteger，其中有一个自增方法，看它是如何使用CAS的：
private static final long valueOffset;
static {
try {
//获取变量value的偏移量地址
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
public AtomicInteger(int initialValue) {
//这种初始化下value等于传入的值
value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
//这种初始化方式下 value默认为0
}
public final int get() {
return value;
}
//自增方法
public final int incrementAndGet() {
//循环，如果compareAndSet(current, next)=false就一直循环，相当于自旋，知道成功为止
for (;;) {
//获取当前的value值
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
/**
* this：当前对象 AtomicInteger
*/
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
2.2 CAS实现原子操作的三大问题
- ABA问题：加入线程 I 使用CAS修改初始值为A的变量X，那么线程 I 首先去获取当前变量X的值（为A），然后使用CAS操作尝试修改X的值为B，如果使用CAS操作成功了，那么程序运行一定是正确的吗？其实未必，这是因为有可能线程 I 在获取变量X的值A后，在执行CAS前，线程 II 使用CAS修改了变量X的值为B，然后又修改了变量X的值为A。虽然线程 I 执行CAS时X的值为A，但是这个A已经不是线程 I 获取时的A了。这就是ABA问题。
ABA问题的产生是应为变量的状态值产生了环形转换，只要不构成环形就会解决问题，解决的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Java1.5开始，JDk的Atomic包里面就提供了一个类AtomicStampedReference来解决这个问题，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，如果全部相等，则以原子的方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
-
循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来很大的执行开销。
-
只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可使用循环CAS的方式保证原子操作，但是对多个共享变量进行操作时，循环CAS无法保证多个原子操作之间的原子性。此时可以用到锁。
三、总结
文章详细讲解了CAS的原理，CAS可以进行原子更新一个值（包括对象），主要用于读多写少的场景，如原子自增操作，如果多线程调用，在CAS失败之后，会死循环一直重试，直到更新成功。这种方式很消耗CPU资源，虽然没有锁，但循环的自旋可能比锁的代价还高。同时存在ABA问题，但AtomicStampedReference通过加入版本号机制已经解决。而且只能保证一个共享变量的原子操作，所以在多个共享变量操作时需要使用锁来解决。CAS在很多地方都有使用，比如J.U.C（java.util.concurrent）包中大量使用了CAS，ConcurrentHashMap也使用到，因此CAS极其重要。
