一、cas概念与原理
cas，全称compare and swap（比较与交换），解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。
实现思想 cas（v, a, b），v为内存地址、a为预期原值，b为新值。如果内存地址的值与预期原值相匹配，那么将该位置值更新为新值。否则，说明已经被其他线程更新，处理器不做任何操作；无论哪种情况，它都会在 cas 指令之前返回该位置的值。而我们可以使用自旋锁，循环cas，重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作。
cas操作由处理器提供支持，是一种原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。如 intel 处理器，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。处理器相关指令不做过多介绍，有兴趣的可自行查阅资料。
二、jdk1.8 中的cas
unsafe类，在sun.misc包下，不属于java标准。unsafe类提供一系列增加java语言能力的操作，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。其中与cas相关的方法有以下几个：
//var1为cas操作的对象，offset为var1某个属性的地址偏移值，expected为期望值，var2为要设置的值，利用jni来完成cpu指令的操作 public final native boolean compareandswapobject(object var1, long offset, object expected, object var2); public final native boolean compareandswapint(object var1, long offset, int expected, int var2); public final native boolean compareandswaplong(object var1, long offset, long expected, long var2);
我要评论 /** 如果cas成功，return oldvalue, oldvalue = oldvalue + addvalue
* 如果cas失败，自旋，一直运行，直到成功为止
*/
public final xxx getandaddxxx(object var1, long offset, long addvalue) {
int oldvalue;
do {
oldvalue = this.getintvolatile(var1, offset);
} while(!this.compareandswapint(var1, offset, oldvalue, oldvalue + addvalue));
return oldvalue;
}
/** 如果cas成功，return oldvalue, oldvalue = newvalue
* 如果cas失败，自旋，一直运行，直到成功为止
*/
public final xxx getandsetxxx(object var1, long offset, object newvalue) {
int oldvalue;
do {
oldvalue = this.getxxxvolatile(var1, offset);
} while(!this.compareandswapxxx(var1, offset, oldvalue, newvalue));
return oldvalue;
}
一般不建议使用unsafe类，除非对它有很深入的了解。
java.util.concurrent包中大量使用了cas原理，如atomicinteger类，都是调用上面几个unsafe方法保证多线程数据的正确性
以下是atomicinteger的cas操作相关源码
1 public class atomicinteger extends number implements java.io.serializable {
2 private static final long serialversionuid = 6214790243416807050l;
3
4 // setup to use unsafe.compareandswapint for updates
5 // unsafe类，提供一系列增强java的功能，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等。不建议开发者调用
6 private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();
7 // 获取对象某个属性的地址偏移值
8 private static final long valueoffset;
9
10 static {
11 try {
12 // value相对“起始地址”的偏移量
13 valueoffset = unsafe.objectfieldoffset
14 (atomicinteger.class.getdeclaredfield("value"));
15 } catch (exception ex) { throw new error(ex); }
16 }
17
18 // value值， volatile修饰，保证不同线程间的可见性
19 private volatile int value;
20 public atomicinteger(int initialvalue) { value = initialvalue; }
21 public atomicinteger() {}
22
23 public final int get() { return value; }
24 public final void set(int newvalue) { value = newvalue; }
25
26 /**
27 * eventually sets to the given value.
28 *
29 * @param newvalue the new value
30 * @since 1.6
31 */
32 public final void lazyset(int newvalue) {
33 //有序或者有延迟的putintvolatile方法
34 unsafe.putorderedint(this, valueoffset, newvalue);
35 }
36
37 /**
38 * atomically sets to the given value and returns the old value.
39 * @param newvalue the new value
40 * @return the previous value
41 */
42 public final int getandset(int newvalue) {
43 return unsafe.getandsetint(this, valueoffset, newvalue);
44 }
45
46 /**
47 * atomically sets the value to the given updated value
48 * if the current value {@code ==} the expected value.
49 * @param expect the expected value
50 * @param update the new value
51 * @return {@code true} if successful. false return indicates that
52 * the actual value was not equal to the expected value.
53 */
54 public final boolean compareandset(int expect, int update) {
55 // jni调用，实现cas
56 return unsafe.compareandswapint(this, valueoffset, expect, update);
57 }
58
59 /**
60 * i++ 操作
61 * atomically increments by one the current value.
62 * @return the previous value
63 */
64 public final int getandincrement() {
65 return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1);
66 }
67
68 /**
69 * i-- 操作
70 * atomically decrements by one the current value.
71 * @return the previous value
72 */
73 public final int getanddecrement() {
74 return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, -1);
75 }
76
77 /**
78 * return i, i = i + n 操作
79 * atomically adds the given value to the current value.
80 * @param delta the value to add
81 * @return the previous value
82 */
83 public final int getandadd(int delta) {
84 return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, delta);
85 }
86
87 /**
88 * ++i 操作
89 * atomically increments by one the current value.
90 * @return the updated value
91 */
92 public final int incrementandget() {
93 return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1) + 1;
94 }
95
96 /**
97 * --i 操作
98 * atomically decrements by one the current value.
99 * @return the updated value
100 */
101 public final int decrementandget() {
102 return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, -1) - 1;
103 }
104
105 /**
106 * i = i + n ,return i操作
107 * atomically adds the given value to the current value.
108 * @param delta the value to add
109 * @return the updated value
110 */
111 public final int addandget(int delta) {
112 return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, delta) + delta;
113 }
114 // 其余函数，略...
115
三、cas缺点
cas有几个缺点：
1、aba问题。当第一个线程执行cas操作，尚未修改为新值之前，内存中的值已经被其他线程连续修改了两次，使得变量值经历 a -> b -> a的过程。
解决方案：添加版本号作为标识，每次修改变量值时，对应增加版本号； 做cas操作前需要校验版本号。jdk1.5之后，新增atomicstampedreference类来处理这种情况。
2、循环时间长开销大。如果有很多个线程并发，cas自旋可能会长时间不成功，会增大cpu的执行开销。
3、只能对一个变量进原子操作。jdk1.5之后，新增atomicreference类来处理这种情况，可以将多个变量放到一个对象中。
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