CAS 机制 - 技术栈

CAS 是 Java 中 Unsafe 类里面的方法，它的全称是 CompareAndSwap，比较并交换的意思。它的主要功能是能够保证在多线程环境下，对于共享变量的修改的原子性。
举个例子，比如说有这样一个场景，有一个成员变量 state，默认值是 0，定义了一个方法 doSomething()，这个方法的逻辑是，判断 state 是否为 0 ，如果为0，就修改成 1。这个逻辑看起来没有任何问题，但是在多线程环境下，会存在原子性的问题，因为这里是一个典型的，Read - Write 的操作。一般情况下，我们会在 doSomething()这个方法上加同步锁来解决原子性问题。

java 复制代码

public class Example {
    private int state=0;
    public void doSomething(){
        if (state==0) { //多线程环境中，存在原子性问题
            state=1;
        }
    }
}

但是，加同步锁，会带来性能上的损耗，所以，对于这类场景，我们就可以使用 CAS机制来进行优化.这个是优化之后的代码如下，在 doSomething()方法中，我们调用了 unsafe 类中的compareAndSwapInt()方法来达到同样的目的，这个方法有四个参数，分别是：当前对象实例、成员变量 state 在内存地址中的偏移量、预期值 0、期望更改之后的值 1。CAS机制会比较 state内存地址偏移量对应的值和传入的预期值 0 是否相等，如果相等，就直接修改内存地址中 state 的值为1.否则，返回 false，表示修改失败，而这个过程是原子的，不会存在线程安全问题。

java 复制代码

public class Example {
    private volatile int state=0;
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long stateOffset;
    static {
        try {
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(Example.class.getDeclaredField("state"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public void doSomething(){
        if (unsafe.compareAndSwapInt(this,stateOffset,0,1)) {
            // TODO
        }
    }
}

CompareAndSwap 是一个 native 方法，实际上它最终还是会面临同样的问题，就是先从内存地址中读取 state 的值，然后去比较，最后再修改。这个过程不管是在什么层面上实现，都会存在原子性问题。所以呢，CompareAndSwap 的底层实现中，在多核 CPU 环境下，会增加一个 Lock指令对缓存或者总线加锁，从而保证比较并替换这两个指令的原子性。

CAS 主要用在并发场景中，比较典型的使用场景有两个：

第一个是 J.U.C 里面 Atomic 的原子实现，比如 AtomicInteger，AtomicLong。
第二个是实现多线程对共享资源竞争的互斥性质，比如在 AQS、ConcurrentHashMap、ConcurrentLinkedQueue 等都有用到。