cas和原子类
一、CAS是什么？
CAS的全称是Compare and Swap，即比较并交换。比较的是当前内存中存储的值与预期原值，交换的是新值与内存中的值。这个操作是硬件层面的指令，因此能够保证原子性。Java通过JNI（本地方法调用）来使用这个原子操作，也是乐观锁最常用的机制。
CAS操作包含三个操作数——内存位置、预期原值和新值。在执行CAS操作时，先进行Compare操作，即比较内存位置的值与预期原值是否相等，若相等，则执行Swap操作将新值放入该内存位置。若不相等，则不进行Swap操作。
这时你一定会想，为什么要这样做，预期值和原值究竟从哪来？
我将通过一个例子讲解，下面先考虑一下并发情况下的自增操作即如何实现。
如果把自增直接写成i++，那一定会出现并发问题，因为这不是原子操作，就不多说了。但是有了CAS操作之后，并发环境下的自增操作就可以很安全的实现了。下面来看一下如何借助CAS原子操作实现自增操作，先看一段伪代码。
//自旋直到CAS操作成功
do{
oldValue = getCurrent(addr);//在执行CAS之前获取预期原值
newValue = oldValue + 1;//根据预期原值做增加操作的到新值
}while (!compareAndSwap(addr, oldValue, newValue));//执行CAS操作
（1）首先获得预期原值，因为在自增情况下，新值是依赖于旧值的。
（2）通过计算得到新值。在这个过程中，可能有其他线程对该内存位置的值进行更新（自增），因为我们采用乐观锁的概念，并没有对变量进行加锁。
（3）再执行CAS操作。首先比较预期原值与当前内存位置的值是否相等。若相同，说明在这期间，没有其他线程对该变量进行更新，没有并发问题发生，则可以执行swap操作对旧值进行更新；若不同，则说明在这期间，有其他线程对变量进行了更新，当前的newValue其实是失效的，则要重新执行循环，即自旋，直至更新成功。
二、原子类AtomicInteger
原子类的自增、加法等操作底层都是通过自旋CAS操作实现的，其核心原理就是我上面写的伪代码。
下面来看一下源码：
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();//最重要的Unsafe类，其中有对底层CAS操作的封装的方法
private static final long valueOffset;//value相对于对象在内存中的偏移量，在执行CAS操作时需要用到
static {//初始化求偏移量
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
public final int getAndIncrement() {//自增操作
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);//调用Unsafe对象的方法
}
UnSafe类中的重要方法：
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
这些方法都是native的，是调用了底层操作系统的CAS指令。
三、CAS操作的缺点
1、ABA。value初值为A，线程1读取到预期原值为A，线程2读取到预期原值为A，线程1通过CAS操作将A更新为B，再通过一次CAS操作将值更新为A，此时线程2进行CAS操作，在比较时发现预期原值A与当前内存位置的值A相同，则进行更新，但是此时value已经被更新过了，而不是原来那个A值了，这样会产生线程安全问题。但是现在也有解决方案，在Java API中有一个类为AtomicStampedReference，该类在记录预期原值的同时还会记录标志，在比较时还会比较标志。
2、自旋时间长的情况下会导致很大开销，若JVM支持pause指令，则可以解决此问题。pause指令有两个作用，第一是延迟流水线执行指令，使得CPU不会消耗太多执行时间；第二是避免在退出循环时因内存顺序冲突而引起CPU流水线被清空。
四、CAS与volatile
在Java的concurrent包中，有一种通用的实现方式，即CAS配合volatile来实现许多高并发类。
一般情况下实现流程：
（1）声明变量为volatile
（2）使用CAS条件更新来实现线程之间的同步。
（3）使用volatile变量的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。
Java并发包的框架如图所示：
