CAS简介

  所谓CAS（Compare And Swap）即比较并交换。在 Intel 处理器中，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。CAS有三个操作数：

内存位置（V）
预期原值（A）
新值(B)

  如果内存位置V的值与预期A原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B。否则，处理器不做任何操作。
无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。

  简单的来说，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。下面来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。

CAS 是一种非阻塞算法 （nonblocking algorithms），一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起。

CAS应用

  比较典型的应用就是AtomicInteger,可以看到，对i++和i–，都是通过CAS，并且通过一个死循环，compareAndSet函数内部就是通过jni操作CAS指令。直到CAS操作成功跳出循环。

//...
    private volatile int value; 
    /** 
 * Gets the current value. 
 * 
 * @return the current value 
 */ 
    public final int get() { 
        return value; 
    } 
    /** 
 * Atomically increments by one the current value. 
 * 
 * @return the previous value 
 */ 
    public final int getAndIncrement() { 
        for (;;) { 
            int current = get(); 
            int next = current + 1; 
            if (compareAndSet(current, next)) 
                return current; 
        } 
    } 

    /** 
 * Atomically decrements by one the current value. 
 * 
 * @return the previous value 
 */ 
    public final int getAndDecrement() { 
        for (;;) { 
            int current = get(); 
            int next = current - 1; 
            if (compareAndSet(current, next)) 
                return current; 
        } 
    }
//...

  以这两个方法为例，getAndIncrement方法相当于原子性的i++，getAndDecrement方法相当于原子性的i–（注意i++或i–不是一个原子性的操作），这两个方法中都没有使用阻塞式的方式来保证原子性（如Synchronized），而是采用的(CAS)compareAndSet方式。

通过分析compareAndSet源代码，可以发现最终实现方式是native的，这就意味着最终是通过jni方式去调用底层交换指令的。

//...
 public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

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

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
//...

CAS缺点

CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。

ABA问题

  因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的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一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，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。

关于ABA问题参考文档: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

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。如果JVM能支持处理器提供的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

  当对一个共享变量执行操作时，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，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。