- 引言
- CAS的实现原理
- Java中CAS的实现
- 原子类概览
在一个最简单的变量累加操作上，如果引入多线程执行，必然带来可见行与同步性的问题，那么通常来讲，利用volatile可以解决线程间变量的可见行，互斥锁可以实现线程间变量的同步问题。
public class Test {
long count = 0;
void add10K() {
int idx = 0;
while(idx++ < 10000) {
count += 1;
}
}
}
其实对于上述这种多线程下变量值并发修改的问题，可以有一种无锁的解决方案，那就是今天的主角：CAS！
public class Test {
AtomicLong count = new AtomicLong(0);
void add10K() {
int idx = 0;
while(idx++ < 10000) {
count.getAndIncrement();
}
}
}
我们将原来的 long 型变量 count 替换为了原子类 AtomicLong，原来的 count +=1 替换成了 count.getAndIncrement()，仅需要这两处简单的改动就能使add10K() 方法变成线程安全的，原子类的使用还是挺简单的。
无锁方案相对互斥锁方案，最大的好处就是性能。
- 互斥锁方案为了保证互斥性，需要执行加锁、解锁操作，而加锁、解锁操作本身就消耗性能；
- 同时拿不到锁的线程还会进入阻塞状态，进而触发线程切换，线程切换对性能的消耗也很大。
原子类性能高的秘密很简单，硬件支持而已。CPU 为了解决并发问题，提供了 CAS 指令（CAS，全称是 Compare And Swap，即“比较并交换”）。CAS 指令包含 3 个参数：共享变量的内存地址 A、用于比较的值 B 和共享变量的新值 C；并且只有当内存中地址 A 处的值等于 B 时，才能将内存中地址 A 处的值更新为新值 C。作为一条 CPU 指令，CAS 指令本身是能够保证原子性的。
你可以通过下面代码理解CAS的原理：只有当目前 count，的值和期望值 expect 相等时，才会将 count 更新为 newValue。
class SimulatedCAS{
int count；
synchronized int cas(int expect, int newValue){
// 读目前 count 的值
int curValue = count;
// 比较目前 count 值是否 == 期望值
if(curValue == expect){
// 如果是，则更新 count 的值
count = newValue;
}
// 返回写入前的值
return curValue;
}
}
通过CAS的语义是不是和上面的测试例子add方法是一样的，只有当前count值是符合期望的，也就是和上一次修改前比没有被别的线程修改，才会执行count+1。这样，上面的情况就可以用CAS这种无锁方案来解决了。
使用 CAS 来解决并发问题，一般都会伴随着自旋，而所谓自旋，其实就是循环尝试。例
如，实现一个线程安全的count += 1操作，“CAS+ 自旋”的实现方案如下所示，首先计
算 newValue = count+1，如果 cas(count,newValue) 返回的值不等于 count，则意味着
线程在执行完代码①处之后，执行代码②处之前，count 的值被其他线程更新过。那此时
该怎么处理呢？可以采用自旋方案，就像下面代码中展示的，可以重新读 count 最新的值
来计算 newValue 并尝试再次更新，直到成功。
class SimulatedCAS{
volatile int count;
// 实现 count+=1
addOne(){
do {
newValue = count+1; //①
}while(count != cas(count,newValue) //②
}
// 模拟实现 CAS，仅用来帮助理解
synchronized int cas(int expect, int newValue){
// 读目前 count 的值
int curValue = count;
// 比较目前 count 值是否 == 期望值
if(curValue == expect){
// 如果是，则更新 count 的值
count= newValue;
}
// 返回写入前的值
return curValue;
}
}
CAS 这种无锁方案，完全没有加锁、解锁操作，即便两个线程完全同时执行 addOne() 方法，也不会有线程被阻塞，所以相对于互斥锁方案来说，性能好了很多。
但是在 CAS 方案中，有一个问题可能会常被你忽略，那就是ABA的问题。
上面例子中如果cas(count,newValue) 返回的值等于count，是否就能够认为 count 的值没有被其他线程更新过呢？显然不是的，假设 count 原本是 A，线程 T1 在执行完代码①处之后，执行代码②处之前，有可能 count 被线程 T2 更新成了 B，之后又被 T3 更新回了 A，这样线程T1 虽然看到的一直是 A，但是其实已经被其他线程更新过了，这就是 ABA 问题。
可能大多数情况下我们并不关心 ABA 问题，例如数值的原子递增，但在例如原子化的更新对象很可能就需要关心 ABA 问题，因为两个 A 虽然相等，但是第二个 A 的属性可能已经发生变化了。所以在使用 CAS 方案的时候，一定要先 check 一下。
Java中CAS的实现原子类 AtomicLong 的 getAndIncrement() 方法内部就是基于 CAS 实现的，下面我们来看看 Java 是如何使用 CAS 来实现原子化的count+= 1的。
在 Java 1.8 版本中，getAndIncrement() 方法会转调 unsafe.getAndAddLong() 方法。这里 this 和 valueOffset 两个参数可以唯一确定共享变量的内存地址。
final long getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
}
public final long getAndAddLong(Object o, long offset, long delta){
long v;
do {
// 读取内存中的值
v = getLongVolatile(o, offset);
} while (!compareAndSwapLong(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
// 原子性地将变量更新为 x
// 条件是内存中的值等于 expected
// 更新成功则返回 true
native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);
unsafe.getAndAddLong() 方法的源码如下，该方法首先会在内存中读取共享变量的值，之后循环调用 compareAndSwapLong() 方法来尝试设置共享变量的值，直到成功为止。
compareAndSwapLong() 是一个 native 方法，只有当内存中共享变量的值等于expected 时，才会将共享变量的值更新为 x，并且返回 true；否则返回 fasle。compareAndSwapLong 的语义和 CAS 指令的语义的差别仅仅是返回值不同而已。
getAndAddLong() 方法的实现，基本上就是 CAS 使用的经典范例。所以请你再次体会下面这段抽象后的代码片段，它在很多无锁程序中经常出现。Java提供的原子类里面 CAS 一般被实现为 compareAndSet()，compareAndSet() 的语义和CAS 指令的语义的差别仅仅是返回值不同而已，compareAndSet() 里面如果更新成功，则会返回 true，否则返回 false。
原子类概览
本文不对各类型进行一一讲解，有兴趣的小伙伴可以自行进行针对性学习，本文仅对“引用类型”进行讲解。
原子化的对象引用类型：
相关实现有 AtomicReference、AtomicStampedReference 和AtomicMarkableReference，利用它们可以实现对象引用的原子化更新。AtomicReference 提供的方法和原子化的基本数据类型差不多，这里不再赘述。不过需要注意的是，对象引用的更新需要重点关注 ABA 问题，AtomicStampedReference 和AtomicMarkableReference 这两个原子类可以解决 ABA 问题。
解决 ABA 问题的思路其实很简单，增加一个版本号维度就可以了，每次执行 CAS操作，附加再更新一个版本号，只要保证版本号是递增的，那么即便 A 变成 B 之后再变回A，版本号也不会变回来（版本号递增的）。AtomicStampedReference 实现的 CAS 方法就增加了版本号参数。
boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference, int expectedStamp,int newStamp)
AtomicMarkableReference 的实现机制则更简单，将版本号简化成了一个 Boolean 值，方法签名如下：
boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference, boolean expectedMark,boolean newMark)
总结：
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