CAS

在Java中，使用悲观锁会导致频繁的线程上下文切换和重新调度开销，Java 提供了非阻塞的volatile 关键字来解决共享变量的可见性问题，这在一定程度上弥补了锁带来的开销问题，但是volatile 只能保证共享变量的可见性，不能解决 "读-改-写" 的原子性问题。 CAS 即Comapre and Swap，其是JDK 提供的非阻塞原子性操作，通过硬件保证了" 比较--更新" 操作的原子性。JDK里面的Unsafe 提供了一系列的 compareAndSwap* 方法便是指的CAS。

我们以compareAndSwapLong 方法为例进行介绍

// obj: 要操作的对象
// valueoffset 对象中的变量偏移量
// expect: 修改前的预期值
// update: 新值
// 如果对象obj 中内存偏移量为valueoffset 的变量的值为expect，则使用新的值update 替换旧的值expect 
boolean compareAndSwapLong (Object obj,long valueoffset,long expect,long update)

Java中java.util.concurrent.atomic包相关类就是 CAS的实现：

• AtomicBoolean 可以用原子方式更新的 boolean 值。
• AtomicInteger 可以用原子方式更新的 int 值。
• AtomicIntegerArray 可以用原子方式更新其元素的 int 数组。
• AtomicIntegerFieldUpdater 基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile int 字段进行原子更新。
• AtomicLong 可以用原子方式更新的 long 值。
• AtomicLongArray 可以用原子方式更新其元素的 long 数组。
• AtomicLongFieldUpdater 基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile long 字段进行原子更新。
• AtomicMarkableReference AtomicMarkableReference 维护带有标记位的对象引用，可以原子方式对其进行更新。
• AtomicReference 可以用原子方式更新的对象引用。
• AtomicReferenceArray 可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。
• AtomicReferenceFieldUpdater 基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。
• AtomicStampedReference AtomicStampedReference 维护带有整数“标志”的对象引用，可以用原子方式对其进行更新。

我们看下AtomicInteger 中 compareAndSet(int expect, int update) 方法

// valueOffset :valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

CAS的问题：
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，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

• 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。
• 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。
• 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。

扩展
Unsafe 类

1. 不是系统的类不能直接获取Unsafe 的对象

  public static Unsafe getUnsafe() {
        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
            throw new SecurityException("Unsafe");
        return theUnsafe;
    }

可以通过间接的方式获取：

Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);