摘要：，即比較并交換，也是實(shí)現(xiàn)我們平時(shí)所說(shuō)的自旋鎖或樂(lè)觀鎖的核心操作。在多線程環(huán)境下，原子操作是保證線程安全的重要手段。如下面這個(gè)例子，個(gè)線程，每個(gè)線程都執(zhí)行次操作，我們期望的值是，但是很遺憾，結(jié)果總是小于的。

CAS（Compare and swap），即比較并交換，也是實(shí)現(xiàn)我們平時(shí)所說(shuō)的自旋鎖或樂(lè)觀鎖的核心操作。

它的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，就是用一個(gè)預(yù)期的值和內(nèi)存值進(jìn)行比較，如果兩個(gè)值相等，就用預(yù)期的值替換內(nèi)存值，并返回 true。否則，返回 false。

任何技術(shù)的出現(xiàn)都是為了解決某些特定的問(wèn)題， CAS 要解決的問(wèn)題就是保證原子操作。原子操作是什么，原子就是最小不可拆分的，原子操作就是最小不可拆分的操作，也就是說(shuō)操作一旦開(kāi)始，就不能被打斷，知道操作完成。在多線程環(huán)境下，原子操作是保證線程安全的重要手段。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，假設(shè)有兩個(gè)線程在工作，都想對(duì)某個(gè)值做修改，就拿自增操作來(lái)說(shuō)吧，要對(duì)一個(gè)整數(shù) i 進(jìn)行自增操作，需要基本的三個(gè)步驟：

1、讀取 i 的當(dāng)前值；

2、對(duì) i 值進(jìn)行加 1 操作；

3、將 i 值寫(xiě)回內(nèi)存；

假設(shè)兩個(gè)進(jìn)程都讀取了 i 的當(dāng)前值，假設(shè)是 0，這時(shí)候 A 線程對(duì) i 加 1 了，B 線程也 加 1，最后 i 的是 1 ，而不是 2。這就是因?yàn)樽栽霾僮鞑皇窃硬僮鳎殖傻倪@三個(gè)步驟可以被干擾。如下面這個(gè)例子，10個(gè)線程，每個(gè)線程都執(zhí)行 10000 次 i++ 操作，我們期望的值是 100,000，但是很遺憾，結(jié)果總是小于 100,000 的。

      
    static int i = 0;
    
    public static void add(){
        i++;
    }
    
    private static class Plus implements Runnable{

        @Override
        public void run(){
            for(int k = 0;k<10000;k++){
                add();
            }
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for(int i = 0;i<10;i++){
            threads[i] = new Thread(new Plus());
            threads[i].start();
        }

        for(int i = 0;i<10;i++){
            threads[i].join();
        }
        System.out.println(i);
    }

既然這樣，那怎么辦。沒(méi)錯(cuò)，也許你已經(jīng)想到了，可以加鎖或者利用 synchronized 實(shí)現(xiàn)，例如，將 add() 方法修改為如下這樣：

public synchronized static void add(){
        i++;
    }

或者，加鎖操作，例如下面使用 ReentrantLock （可重入鎖）實(shí)現(xiàn)。

private static Lock lock = new ReentrantLock();
    public static void add(){
        lock.lock();
        i++;
        lock.unlock();
    }

既然用鎖或 synchronized 關(guān)鍵字可以實(shí)現(xiàn)原子操作，那么為什么還要用 CAS 呢，因?yàn)榧渔i或使用 synchronized 關(guān)鍵字帶來(lái)的性能損耗較大，而用 CAS 可以實(shí)現(xiàn)樂(lè)觀鎖，它實(shí)際上是直接利用了 CPU 層面的指令，所以性能很高。

上面也說(shuō)了，CAS 是實(shí)現(xiàn)自旋鎖的基礎(chǔ)，CAS 利用 CPU 指令保證了操作的原子性，以達(dá)到鎖的效果，至于自旋呢，看字面意思也很明白，自己旋轉(zhuǎn)，翻譯成人話就是循環(huán)，一般是用一個(gè)無(wú)限循環(huán)實(shí)現(xiàn)。這樣一來(lái)，一個(gè)無(wú)限循環(huán)中，執(zhí)行一個(gè) CAS 操作，當(dāng)操作成功，返回 true 時(shí)，循環(huán)結(jié)束；當(dāng)返回 false 時(shí)，接著執(zhí)行循環(huán)，繼續(xù)嘗試 CAS 操作，直到返回 true。

其實(shí) JDK 中有好多地方用到了 CAS ,尤其是 java.util.concurrent包下，比如 CountDownLatch、Semaphore、ReentrantLock 中，再比如 java.util.concurrent.atomic 包下，相信大家都用到過(guò) Atomic* ，比如 AtomicBoolean、AtomicInteger 等。

這里拿 AtomicBoolean 來(lái)舉個(gè)例子，因?yàn)樗銐蚝?jiǎn)單。

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 4654671469794556979L;
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicBoolean.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
    
    public final boolean get() {
        return value != 0;
    }

    public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
        int e = expect ? 1 : 0;
        int u = update ? 1 : 0;
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
    }
   
  }

這是 AtomicBoolean 的部分代碼，我們看到這里面又幾個(gè)關(guān)鍵方法和屬性。

1、使用了 sun.misc.Unsafe 對(duì)象，這個(gè)類提供了一系列直接操作內(nèi)存對(duì)象的方法，只是在 jdk 內(nèi)部使用，不建議開(kāi)發(fā)者使用；

2、value 表示實(shí)際值，可以看到 get 方法實(shí)際是根據(jù) value 是否等于0來(lái)判斷布爾值的，這里的 value 定義為 volatile，因?yàn)?volatile 可以保證內(nèi)存可見(jiàn)性，也就是 value 值只要發(fā)生變化，其他線程是馬上可以看到變化后的值的；下一篇會(huì)講一下 volatile 可見(jiàn)性問(wèn)題，歡迎關(guān)注

3、valueOffset 是 value 值的內(nèi)存偏移量，用 unsafe.objectFieldOffset 方法獲得，用作后面的 compareAndSet 方法；

4、compareAndSet 方法，這就是實(shí)現(xiàn) CAS 的核心方法了，在使用 AtomicBoolean 的這個(gè)方法時(shí)，只需要傳遞期望值和待更新的值即可，而它里面調(diào)用了 unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u) 方法，它是個(gè) native 方法，用 c++ 實(shí)現(xiàn)，具體的代碼就不貼了，總之是利用了 CPU 的 cmpxchg 指令完成比較并替換，當(dāng)然根據(jù)具體的系統(tǒng)版本不同，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也有所區(qū)別，感興趣的可以自行搜一下相關(guān)文章。

CAS 適合簡(jiǎn)單對(duì)象的操作，比如布爾值、整型值等；

CAS 適合沖突較少的情況，如果太多線程在同時(shí)自旋，那么長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)會(huì)導(dǎo)致 CPU 開(kāi)銷(xiāo)很大；

比如 AtomicBoolean 可以用在這樣一個(gè)場(chǎng)景下，系統(tǒng)需要根據(jù)一個(gè)布爾變量的狀態(tài)屬性來(lái)判斷是否需要執(zhí)行一些初始化操作，如果是多線程的環(huán)境下，避免多次重復(fù)執(zhí)行，可以使用 AtomicBoolean 來(lái)實(shí)現(xiàn)，偽代碼如下：

private final static AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean();
    if(flag.compareAndSet(false,true)){
        init();
    }

比如 AtomicInteger 可以用在計(jì)數(shù)器中，多線程環(huán)境中，保證計(jì)數(shù)準(zhǔn)確。

CAS 存在一個(gè)問(wèn)題，就是一個(gè)值從 A 變?yōu)?B ，又從 B 變回了 A，這種情況下，CAS 會(huì)認(rèn)為值沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化，但實(shí)際上是有變化的。對(duì)此，并發(fā)包下倒是有 AtomicStampedReference 提供了根據(jù)版本號(hào)判斷的實(shí)現(xiàn)，可以解決一部分問(wèn)題。