一、CAS是什么？
CAS的全称：Compare and swap，字面意思:”比较并交换“，一个 CAS 涉及到以下操作：
我们假设内存中的原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。
1. 比较 A 与 V 是否相等。（比较）
2. 如果比较相等，将 B 写入 V。（交换）
3. 返回操作是否成功。
CAS 伪代码：
boolean CAS(address, expectValue, swapValue) { if (&address == expectedValue) { &address = swapValue; return true; } return false; }
当多个线程同时对某个资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程,其他线
程只会收到操作失败的信号。CAS 可以视为是一种乐观锁(或者可以理解成 CAS 是乐观锁的一种实现方式)。
整个CAS的过程，它并不是通过一段代码来实现的，而是通过一条CPU指令来完成的。而CAS操作是原子的，这样就可以在一定程度上规避线程安全问题。所以，解决线程安全问题除了加锁之外，CAS操作也是一个方向。
小结：CAS可以理解成是CPU给咱们提供的一个特殊指令,通过这个指令，就可以一定程度的处理线程安全问题。
二、CAS的应用场景
- 实现原子类
标准库中提供了 java.util.concurrent.atomic 包, 里面的类都是基于这种方式来实现的。
典型的就是 AtomicInteger 类，其中的 getAndIncrement 相当于 i++ 操作。
public static void main(String[] args) { AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); Thread t1 = new Thread(()->{ for (int i = 0; i < 5_0000; i++) { atomicInteger.getAndIncrement();//相当于count++ // atomicInteger.incrementAndGet();//相当于++count // atomicInteger.getAndDecrement();//相当于count-- // atomicInteger.decrementAndGet();//相当于--count } }); Thread t2 = new Thread(()->{ for (int i = 0; i < 5_0000; i++) { atomicInteger.getAndIncrement();//相当于count++ } }); t1.start(); t2.start(); try { t1.join(); t2.join(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println(atomicInteger);// 运行结果为10_0000 }
AtomicInteger的伪代码（AtomicInteger 的实现原理是什么？）：
class AtomicInteger { private int value; public int getAndIncrement() { int oldValue = value; while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) { oldValue = value; } return oldValue; } }
假设两个线程同时调用 getAndIncrement：
1) 两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中 (oldValue 是一个局部变量, 在栈上，每个线程有自己的栈)
2) 线程1 先执行 CAS 操作，由于 oldValue 和 value 的值相同, 直接进行对 value 赋值
3) 线程2 再执行 CAS 操作, 第一次 CAS 的时候发现 oldValue 和 value 不相等, 不能进行赋值. 因此需要进入循环，在循环里重新读取 value 的值赋给 oldValue
4) 线程2 接下来第二次执行 CAS, 此时 oldValue 和 value 相同, 于是直接执行赋值操作
5) 线程1 和 线程2 返回各自的 oldValue 的值即可
通过形如上述代码就可以实现一个原子类。不需要使用重量级锁, 就可以高效的完成多线程的自增操作。
本来 check and set 这样的操作在代码角度不是原子的。但是在硬件层面上可以让一条指令完成这个操作, 也就变成原子的了。
- 实现自旋锁
通过CAS实现自旋锁伪代码：
public class SpinLock { private Thread owner = null; public void lock(){ // 通过 CAS 看当前锁是否被某个线程持有 // 如果这个锁已经被别的线程持有, 那么就自旋等待 // 如果这个锁没有被别的线程持有, 那么就把 owner 设为当前尝试加锁的线程 while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){ } } public void unlock (){ this.owner = null; } }
三、CAS的典型问题：ABA问题
ABA 的问题:
假设存在两个线程 t1 和 t2，有一个共享变量 num, 初始值为 A。接下来, 线程 t1 想使用 CAS 把 num 值改成 Z, 那么就需要先读取 num 的值, 记录到 oldNum 变量中。使用 CAS 判定当前 num 的值是否为 A, 如果为 A, 就修改成 Z。但是, 在 t1 执行这两个操作之间, t2 线程可能把 num 的值从 A 改成了 B, 又从 B 改成了 A。线程 t1 的 CAS 是期望 num 不变就修改。但是 num 的值已经被 t2 给改了， 只不过又改成 A 了。这个时候 t1 究竟是否要更新 num 的值为 Z 呢?
到这一步, t1 线程无法区分当前这个变量始终是 A, 还是经历了一个变化过程后的A。ABA 问题引来的 BUG：举个例子
假设 A有 100 存款，A想从 ATM 取 50 块钱。但是取钱的过程中机子卡顿了一下，一下子按了两次取款操作，取款机创建了两个线程, 并发的来执行 -50操作。
期望的是一个线程执行 -50 成功, 另一个线程 -50 失败。但是如果使用 CAS 的方式来完成这个扣款过程，在一些极端情况下就可能出现问题。
正常的过程
1) 存款 100，线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期
望更新为 50。
2) 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50，线程2 阻塞等待中。
3) 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 50, 和之前读到的 100 不相同, 执行失败。
异常的过程
1) 存款 100，线程1 获取到当前存款值为 100, 期望更新为 50; 线程2 获取到当前存款值为 100, 期
望更新为 50。
2) 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50，线程2 阻塞等待中。
3) 在线程2 执行之前, A的朋友正好给A转账 50，此时A的账户余额变成 100。
4) 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 再次执行扣款操作。
这个时候, 扣款操作被执行了两次。
解决方案（引入版本号）
给要修改的值, 引入版本号， 在 CAS 比较数据当前值和旧值的同时, 也要比较版本号是否符合预期。
CAS 操作在读取旧值的同时, 也要读取版本号。
真正修改的时候：
如果当前版本号和读到的版本号相同, 则修改数据, 并把版本号 + 1。
如果当前版本号高于读到的版本号，就操作失败(认为数据已经被修改过了)。
为了解决 ABA 问题, 给余额搭配一个版本号, 初始设为 1。
1) 存款 100，线程1 获取到 存款值为 100, 版本号为 1, 期望更新为 50; 线程2 获取到存款值为 100,
版本号为 1, 期望更新为 50。
2) 线程1 执行扣款成功, 存款被改成 50, 版本号改为2，线程2 阻塞等待中。
3) 在线程2 执行之前, A的朋友正好给A转账 50, 账户余额变成 100, 版本号变成3。
4) 轮到线程2 执行了, 发现当前存款为 100, 和之前读到的 100 相同, 但是当前版本号为 3, 之前读
到的版本号为 1, 版本小于当前版本, 认为操作失败。
