Compare And Swap

Compare And Swap 就是经常听到的 CAS（比较和交换），它就是将多个原子操作（读-改-写）合并成一个原子操作。

举个例子：i++ 这个自增操作，它可以被拆分成三个操作，读 i 的值、i 的值加 1、写 i 的值；而 CAS 就可以将这三个原子操作，合并成一个原子操作。

比较和交换：先说一下比较，当写新数据到内存的时候，会先使用旧数据和当前内存中的值进行比较，如果一致就会将新值写入内存（就是交换），不一致就不会写入。

下面这张图来自美团技术团队，更好的帮助理解：

值得注意的是：CAS 必须配合 volatile 使用，这是因为 volatile 保证了可见性。还有就是 CAS 就是所谓的无锁编程，而在数据库中把把无锁编程叫做乐观锁。

下面是 Java 自带的一些支持原子操作的类，这些类都是使用 CAS 实现的：

基本类型：AtomicBoolean（布尔类型原子类）、AtomicInteger（整型原子类）、AtomicLong（长整型原子类）。
数组类型：AtomicIntegerArray（整形数组原子类）、AtomicLongArray（长整型数组原子类）、AtomicReferenceArray（引用类型数组原子类）。
引用类型：AtomicReference（引用类型原子类）、AtomicMarkableReference（带有标记位的引用类型原子类）、AtomicStampedReference（带有版本号的引用类型原子类）。
属性更新器类型：AtomicIntegerFieldUpdater（整型字段的原子更新器）、AtomicLongFieldUpdater（长整型字段的原子更新器）、AtomicReferenceFieldUpdater（原子更新引用类型里的字段）。

值得注意的是：其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性；而且与锁相比，CSA 性能消耗更少。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

ABA 问题

ABA 就是一个共享变量的值，变化来变化去（经过多次修改），又变化回了默认值（与默认值相同，就表示 “没有任何变化”）；这样就导致了其它线程以为某件事情还没做，但其实已经做完了。

ABA 问题的解决思路就是在变量前面添加版本号，每次变量更新的时候都把版本号加一，这样变化过程就从 “A－B－A” 变成了 “1A－2B－3A”。JDK 中提供了 AtomicStampedReference 类来解决 ABA 问题，具体操作封装在 compareAndSet() 中。compareAndSet() 首先检查当前引用和当前标志与预期引用和预期标志是否相等，如果都相等，则以原子方式将引用值和标志的值设置为给定的更新值。

这么做就是为了判断出，共享变脸的值被其它线程修改过。

除了 ABA 问题，CAS 还有以下两个问题：

循环时间长开销大。CAS 操作如果长时间不成功，会导致其一直自旋，给 CPU 带来非常大的开销。
只能保证一个共享变量的原子操作。对一个共享变量执行操作时，CAS 能够保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS 是无法保证操作的原子性的。但是从 1.5 开始 JDK 提供了 AtomicReference 类来保证引用对象之间的原子性（也就是想将一个引用指向另一个对象时，并保证原子性，可以使用这个类），可以把多个变量放在一个对象里来进行 CAS 操作。