一篇搞定CAS，深度讲解，面试实践必备

　　背景
　　在高并发的业务场景下，线程安全问题是必须考虑的，在JDK5之前，可以通过synchronized或Lock来保证同步，从而达到线程安全的目的。但synchronized或Lock方案属于互斥锁的方案，比较重量级，加锁、释放锁都会引起性能损耗问题。
　　而在某些场景下，我们是可以通过JUC提供的CAS机制实现无锁的解决方案，或者说是它基于类似于乐观锁的方案，来达到非阻塞同步的方式保证线程安全。
　　CAS机制不仅是面试中会高频出现的面试题，而且也是高并发实践中必须掌握的知识点。如果你目前对CAS还不甚了解，或许只有模糊的印象，这篇文章一定值得你花时间学习一下。什么是CAS？
　　CAS是CompareAndSwap的缩写，直译就是比较并交换。CAS是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令，这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。其作用是让CPU比较内存中某个值是否和预期的值相同，如果相同则将这个值更新为新值，不相同则不做更新。
　　本质上来讲CAS是一种无锁的解决方案，也是一种基于乐观锁的操作，可以保证在多线程并发中保障共享资源的原子性操作，相对于synchronized或Lock来说，是一种轻量级的实现方案。
　　Java中大量使用了CAS机制来实现多线程下数据更新的原子化操作，比如AtomicInteger、CurrentHashMap当中都有CAS的应用。但Java中并没有直接实现CAS，CAS相关的实现是借助CC调用CPU指令来实现的，效率很高，但Java代码需通过JNI才能调用。比如，Unsafe类提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底层实现即为CPU指令cmpxchg。CAS的基本流程
　　下面我们用一张图来了解一下CAS操作的基本流程。
　　在上图中涉及到三个值的比较和操作：修改之前获取的（待修改）值A，业务逻辑计算的新值B，以及待修改值对应的内存位置的C。
　　整个处理流程中，假设内存中存在一个变量i，它在内存中对应的值是A（第一次读取），此时经过业务处理之后，要把它更新成B，那么在更新之前会再读取一下i现在的值C，如果在业务处理的过程中i的值并没有发生变化，也就是A和C相同，才会把i更新（交换）为新值B。如果A和C不相同，那说明在业务计算时，i的值发生了变化，则不更新（交换）成B。最后，CPU会将旧的数值返回。而上述的一系列操作由CPU指令来保证是原子的。
　　在《Java并发编程实践》中对CAS进行了更加通俗的描述：我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少。
　　在上述路程中，我们可以很清晰的看到乐观锁的思路，而且这期间并没有使用到锁。因此，相对于synchronized等悲观锁的实现，效率要高非常多。基于CAS的AtomicInteger使用
　　关于CAS的实现，最经典最常用的当属AtomicInteger了，我们马上就来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。为了形成更新鲜明的对比，先来看一下如果不使用CAS机制，想实现线程安全我们通常如何处理。
　　在没有使用CAS机制时，为了保证线程安全，基于synchronized的实现如下：publicclassThreadSafeTest｛publicstaticvolatileinti0；publicsynchronizedvoidincrease（）｛i；｝｝
　　至于上面的实例具体实现，这里不再展开，很多相关的文章专门进行讲解，我们只需要知道为了保证i的原子操作，在increase方法上使用了重量级的锁synchronized，这会导致该方法的性能低下，所有调用该方法的操作都需要同步等待处理。
　　那么，如果采用基于CAS实现的AtomicInteger类，上述方法的实现便变得简单且轻量级了：publicclassThreadSafeTest｛privatefinalAtomicIntegercounternewAtomicInteger（0）；publicintincrease（）｛returncounter。addAndGet（1）；｝｝
　　之所以可以如此安全、便捷的来实现安全操作，便是由于AtomicInteger类采用了CAS机制。下面，我们就来了解一下AtomicInteger的功能及源码实现。CAS的AtomicInteger类
　　AtomicInteger是java。util。concurrent。atomic包下的一个原子类，该包下还有AtomicBoolean，AtomicLong，AtomicLongArray，AtomicReference等原子类，主要用于在高并发环境下，保证线程安全。AtomicInteger常用API
　　AtomicInteger类提供了如下常见的API功能：publicfinalintget（）：获取当前的值publicfinalintgetAndSet（intnewValue）：获取当前的值，并设置新的值publicfinalintgetAndIncrement（）：获取当前的值，并自增publicfinalintgetAndDecrement（）：获取当前的值，并自减publicfinalintgetAndAdd（intdelta）：获取当前的值，并加上预期的值voidlazySet（intnewValue）：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
　　上述方法中，getAndXXX格式的方法都实现了原子操作。具体的使用方法参考上面的addAndGet案例即可。AtomicInteger核心源码
　　下面看一下AtomicInteger代码中的核心实现代码：publicclassAtomicIntegerextendsNumberimplementsjava。io。Serializable｛privatestaticfinalUnsafeunsafeUnsafe。getUnsafe（）；privatestaticfinallongvalueOstatic｛try｛用于获取value字段相对当前对象的起始地址的偏移量valueOffsetunsafe。objectFieldOffset（AtomicInteger。class。getDeclaredField（value））；｝catch（Exceptionex）｛thrownewError（ex）；｝｝返回当前值publicfinalintget（）｛｝递增加detlapublicfinalintgetAndAdd（intdelta）｛1、this：当前的实例2、valueOffset：value实例变量的偏移量3、delta：当前value要加上的数（valuedelta）。returnunsafe。getAndAddInt（this，valueOffset，delta）；｝递增加1publicfinalintincrementAndGet（）｛returnunsafe。getAndAddInt（this，valueOffset，1）1；｝。。。｝
　　上述代码以AtomicIntegerincrementAndGet方法为例展示了AtomicInteger的基本实现。其中，在static静态代码块中，基于Unsafe类获取value字段相对当前对象的起始地址的偏移量，用于后续Unsafe类的处理。
　　在处理自增的原子操作时，使用的是Unsafe类中的getAndAddInt方法，CAS的实现便是由Unsafe类的该方法提供，从而保证自增操作的原子性。
　　同时，在AtomicInteger类中，可以看到value值通过volatile进行修饰，保证了该属性值的线程可见性。在多并发的情况下，一个线程的修改，可以保证到其他线程立马看到修改后的值。
　　通过源码可以看出，AtomicInteger底层是通过volatile变量和CAS两者相结合来保证更新数据的原子性。其中关于Unsafe类对CAS的实现，我们下面详细介绍。CAS的工作原理
　　CAS的实现原理简单来说就是由Unsafe类和其中的自旋锁来完成的，下面针对源代码来看一下这两块的内容。UnSafe类
　　在AtomicInteger核心源码中，已经看到CAS的实现是通过Unsafe类来完成的，先来了解一下Unsafe类的作用。这里我们简单概述一下。
　　sun。misc。Unsafe是JDK内部用的工具类。它通过暴露一些Java意义上说不安全的功能给Java层代码，来让JDK能够更多的使用Java代码来实现一些原本是平台相关的、需要使用native语言（例如C或C）才可以实现的功能。该类不应该在JDK核心类库之外使用，这也是命名为Unsafe（不安全）的原因。
　　JVM的实现可以自由选择如何实现Java对象的布局，也就是在内存里Java对象的各个部分放在哪里，包括对象的实例字段和一些元数据之类。
　　Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了objectFieldOffset（）方法用于获取某个字段相对Java对象的起始地址的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java对象的某个字段。在AtomicInteger的static代码块中便使用了objectFieldOffset（）方法。
　　Unsafe类的功能主要分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、数组相关、内存屏障、系统相关、线程调度等功能。这里我们只需要知道其功能即可，方便理解CAS的实现，注意不建议在日常开发中使用。Unsafe与CAS
　　AtomicInteger调用了UnsafegetAndAddInt方法：publicfinalintincrementAndGet（）｛returnunsafe。getAndAddInt（this，valueOffset，1）1；｝
　　上述代码等于是AtomicInteger调用UnSafe类的CAS方法，JVM帮我们实现出汇编指令，从而实现原子操作。
　　在Unsafe中getAndAddInt方法实现如下：publicfinalintgetAndAddInt（Objectvar1，longvar2，intvar4）｛intvar5；do｛var5this。getIntVolatile（var1，var2）；｝while（！this。compareAndSwapInt（var1，var2，var5，var5var4））；returnvar5；｝
　　getAndAddInt方法有三个参数：第一个参数表示当前对象，也就是new的那个AtomicInteger对象；第二个表示内存地址；第三个表示自增步伐，在AtomicIntegerincrementAndGet中默认的自增步伐是1。
　　getAndAddInt方法中，首先把当前对象主内存中的值赋给val5，然后进入while循环。判断当前对象此刻主内存中的值是否等于val5，如果是，就自增（交换值），否则继续循环，重新获取val5的值。
　　在上述逻辑中核心方法是compareAndSwapInt方法，它是一个native方法，这个方法汇编之后是CPU原语指令，原语指令是连续执行不会被打断的，所以可以保证原子性。
　　在getAndAddInt方法中还涉及到一个实现自旋锁。所谓的自旋，其实就是上面getAndAddInt方法中的dowhile循环操作。当预期值和主内存中的值不等时，就重新获取主内存中的值，这就是自旋。
　　这里我们可以看到CAS实现的一个缺点：内部使用自旋的方式进行CAS更新（while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试）。如果长时间都不成功的话，就会造成CPU极大的开销。
　　另外，Unsafe类还支持了其他的CAS方法，比如compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong。CAS的缺点
　　CAS高效的实现了原子性操作，但在以下三方面还存在着一些缺点：循环时间长，开销大；只能保证一个共享变量的原子操作；ABA问题；
　　下面就这个三个问题详细讨论一下。循环时间长开销大
　　在分析Unsafe源代码的时候我们已经提到，在Unsafe的实现中使用了自旋锁的机制。在该环节如果CAS操作失败，就需要循环进行CAS操作（dowhile循环同时将期望值更新为最新的），如果长时间都不成功的话，那么会造成CPU极大的开销。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。只能保证一个共享变量的原子操作
　　在最初的实例中，可以看出是针对一个共享变量使用了CAS机制，可以保证原子性操作。但如果存在多个共享变量，或一整个代码块的逻辑需要保证线程安全，CAS就无法保证原子性操作了，此时就需要考虑采用加锁方式（悲观锁）保证原子性，或者有一个取巧的办法，把多个共享变量合并成一个共享变量进行CAS操作。ABA问题
　　虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，ABA问题出现的基本流程：进程P1在共享变量中读到值为A；P1被抢占了，进程P2执行；P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占；P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行；
　　虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lockfree的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）。
　　维基百科上给了一个形象的例子：你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。
　　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1，那么ABA就会变成1A2B3A。
　　另外，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，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。小结
　　本文从CAS的基本使用场景、基本流程、实现类AtomicInteger源码解析、CAS的Unsafe实现解析、CAS的缺点及解决方案等方面来全面了解了CAS。