CAS原子性操作
CAS原理解析
1、CAS基本概念
CAS（Compare And Swap）也叫做比较与交换，是一种无锁原子算法，映射到操作系统就是一条cmpxchg硬件汇编指令，通过硬件命令保证了原子性。其作用是让CPU将内存值更新为新值，但是有个条件，内存值必须与期望值相同。CAS操作无需用户态和内核态切换，直接在用户态对内存进行读写操作，这意味着不会进行上下文切换。
它包含3个参数CAS（V，E，N），V表示待更新的内存值，E表示预期值，N表示新值，当V值等于E值时，才会将V值更新成N值，如果V值和E值不等，操作失败或者重新再来，这就是一次CAS的操作。
简单说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的，如果变量不是你想象的那样，说明它已经被别人修改过了，你只需要重新读取，设置期望值，再次尝试修改就好了。
设置一个期望值的目的：通过内存值与期望值的比较，防止自己的修改覆盖了别人的修改
2、CAS如何保证原子性
原子性是指一个或多个操作在CPU执行过程中不被中断的特性，要么执行，要么不执行，不能执行到一半，即原子性操作是不可被中断的一个或一系列操作。
为了保证CAS的原子性，CPU提供了下面两种方式
- 总线锁定
- 缓存锁定
2.1、总线锁定
总线（BUS）是计算机组件间数据传输方式，也就是说通过总线，CPU与其他组件连接传输数据，就是靠总线完成的，比如CPU对内存的读写。
总线锁定是指CPU使用了总线锁，所谓总线锁就是使用CPU提供的LOCK#信号，当CPU在总线上输出LOCK#信号时，其他CPU的总线请求将被阻塞。
2.2、缓存锁定
总线锁定方式虽然保持了原子性，但是在锁定期间，总线锁定阻止了被阻塞处理器和所有内存之间的通信，而输出LOCK#信号的CPU可能只需要锁住特定的一块内存区域，因此总线锁定开销较大。
所以现代CPU为了提升性能，通过锁定范围缩小的思想设计出缓存行锁定（缓存行是CPU高速缓存存储的最小单位）
所谓缓存锁定是指CPU对缓存行进行锁定，当缓存行中的共享变量回写到内存时，其他CPU会通过总线嗅探机制感知到该共享变量是否发生变化，如果发生变化，让自己对应的共享变量缓存行失效，重新从内存读取最新的数据，缓存锁定是基于缓存一致性机制来实现的，因为缓存一致性机制会阻止两个以上CPU同时修改同一个共享变量（现代CPU基本都支持和使用缓存锁定机制）
缓存锁定是某个CPU对缓存数据进行更改时，会通知缓存了该数据的CPU抛弃缓存的数据或者从内存重新读取
2.3、缓存一致性
当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到CPU高速缓存中，那么CPU进行计算时就可以从它的高速缓存读取数据和向其中写入数据，当运算结束后，再将高速缓存中的数据刷新到主存中。
在多核CPU中，每个线程可能运行在不同的CPU中，因此每个线程运行时有自己的高速缓存。假如初始时 i 的值为0，那么我们希望两个线程执行完加1操作之后 i 的值变为2。但事实会是这样吗？
可能存在下面一种情况：初始时，两个线程分别读取i的值存入各自所在的CPU的高速缓存当中，然后线程1进行加1操作，然后把i的最新值1写入到内存。此时线程2的高速缓存当中i的值还是0，进行加1操作后，i的值为1，然后线程2把i的值写入内存。最终结果i的值是1，而不是2。这就是著名的缓存一致性问题。通常称这种被多个线程访问的变量为共享变量。
也就是说，如果一个变量在多个CPU中都存在缓存（一般在多线程编程时才会出现），那么就可能存在缓存不一致的问题。
为了解决缓存不一致问题，通常来说有以下2种解决方法：
1）通过在总线加LOCK锁的方式；
2）通过缓存一致性协议；
在早期的CPU中，是通过在总线上加LOCK锁的形式来解决缓存不一致的问题。因为CPU和其他部件进行通信都是通过总线来进行的，如果对总线加LOCK锁的话，也就是说阻塞了其他CPU通过总线对其它部件访问（如内存），从而使得只能有一个CPU能使用这个变量的内存。比如上面例子中，如果一个线程在执行i = i +1，如果在执行这段代码的过程中，在总线上发出了LOCK锁的信号，那么只有等待这段代码完全执行完毕之后，其他CPU才能从变量 i 所在的内存读取变量，然后进行相应的操作。这样就解决了缓存不一致的问题。
但是上面的方式会有一个问题，由于在锁住总线期间，其他CPU无法访问内存，导致效率低下。
所以就出现了缓存一致性协议。该协议保证了每个缓存中使用的共享变量的副本是一致的。它的核心思想是：当CPU向内存写入数据时，如果发现操作的变量是共享变量，即在其他CPU中也存在该变量的副本，会发出信号通知其他CPU将该变量的缓存行置为无效状态，因此当其他CPU需要读取这个变量时，发现自己缓存中缓存该变量的缓存是无效的，那么它就会从内存重新读取。
3、CAS的问题
CAS和锁都解决了并发中的同步问题，和锁相比CAS没有阻塞、线程上下文切换、死锁。所以CAS要比锁拥有更优越的性能，但是CAS同样存在缺点。
CAS的问题如下：
1、只能保证一个共享变量的原子操作
2、在并发量大的情况下，CAS将消耗大量的CPU资源
3、ABA问题
3.1、只能保证一个共享变量的原子操作
CAS只能针对一个共享变量使用，如果是多个共享变量最好使用锁了，当然也是可以将多个变量整合一个变量。
3.2、在竞争激烈的情况下，CAS将消耗大量的CPU资源
在并发量大的情况下，很容发生多个线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，会消耗大量的CPU资源
3.3、ABA问题
CAS需要检查待更新的内存值与预期值是否相等，其本质是要检查待更新的内存值有没有被修改过，如果没有则更新，但是如果一个值原来是A，后来被修改成了B，再被更新为A，在CAS检查时，识别不出来数据被修改过。
如果只是简单的数据结构，确实不会有什么问题，如果是复杂的数据结构可能就会产生问题。以链表数据结构为例，两个线程通过CAS去删除头节点，假设现在链表上有A->B节点
1、线程1欲删除A节点，B节点成为头节点，正要执行CAS（A,A,B）时，时间片用完，切换到线程2
2、线程2删除A、B节点
3、线程2加入C、A节点
4、线程1重现获取时间片，执行CAS（A,A,B）
5、丢失C节点
要解决ABA问题也非常简单，只要追加版本号（version）即可，每次改变时version+1，即A —> B —> A，变成1A —> 2B —> 3A，在Java中提供了AtomicStampedRdference可以实现这个方案（面试只要问了C A S，就一定会问ABA，这块一定要搞明白）
