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一、CAS是什么

CAS的全称为compare and swap 或者compare and exchange,意思为比较和交换。CAS流程如下：

假设我们有一个共享变量i，初始值为0。我们现在要对i进行加1的操作：

1. 首先会读取当前i的值为0。
2. 对i进行加1操作，计算后的结果为1。
3. 计算完成后我们现在需要更新i的值，在更新之前需要再次获取i目前的值假设为N。先比较N是否等于0，如果等于0就更新为1。如果不等于0则重复上面的操作。

二、CAS 可以解决什么问题

在java中我们可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。

锁我们常用的是使用synchronized，但是synchronized在并发的过程中会导致上下文的切换。我们在执行多线程代码时，CPU通过给每个线程分配CPU时间片来实现。CPU通过时间片算法来循环执行任务，当前任务执行一个时间片后会切换到下一个任务。但是，在切换前会保存上一个任务状态，以便下次切换回这个任务时，可以在加载这个任务状态。所以任务从保存到再加载的过程就是一次上下文切换。

CAS通过自旋的方式来实现原子操作，避免了上下文的切换。JVM中的CAS操作正是利用了处理器的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。这里以JUC包下的AtomicInteger为例，在AtomicInteger中有一个getAndIncrement() 方法，getAndIncrement() : 原子性的增加当前的值，并把结果返回。相当于 i++ 的操作

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

三、CAS实现原子操作的问题

1. ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，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jdk1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。
   如下示例，把变量A修改成B然后在修改成A，打印结果如下：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;public class AtomicStampedReferenceTest {public static void main(String[] args) {String str1="A";AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<String>(str1,1);System.out.println("修改前的值 = " + reference.getReference());System.out.println("修改后的版本号 = " + reference.getStamp());reference.compareAndSet(str1,"B",reference.getStamp(),reference.getStamp()+1);reference.compareAndSet("B","A",reference.getStamp(),reference.getStamp()+1);System.out.println("修改后的值 = " + reference.getReference());System.out.println("修改后的版本号 = " + reference.getStamp());}
}

打印结果如下：
修改前的值 = A
修改后的版本号 = 1
修改后的值 = A
修改后的版本号 = 3

2. 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。
3. 只能保证一个共享变量的原子操作。

参考：
《Java并发编程的艺术》
bilibili 马士兵老师深入讲解synchronized：什么是CAS