1.什么是CAS?

CAS：全称Compare and swap，字面意思：“比较并交换”，一个CAS涉及到一下的操作：

我们假设内存中原数据V，旧的预期值A，需要修改的新值B。

1. 比较A与V是否相等（比较）

2. 如果比较相等，将B写入V。（交换）

3. 返回操作是否成功。

【

CAS伪代码

】下面写的代码不是原子的，真正的CAS是一个原子的硬件指令完成的。这个伪代码只适合辅助理解CAS的流程；

boolean CAS(address, expectValue, swapValue) {
        if(&address == expectedValue) {
            &address = swapValue;
            return true;
        }
        return false;
    }

多个线程同时对一个公共资源进行CAS操作，只能有一个线程操作成功，但是并不会阻塞其他线程，其他线程只会收到操作失败的信号。

CAS因为硬件给予支持，软件层面才能做到原子性。

2.CAS有哪些应用

2.1实现原子性

标准库中提供了java.util.concurrent.atomic包，里面的类都是基于这种方式来实现的。

典型的就是AtomicInteger类。其中的getAndIncrement相当于i++操作。

        AtomicInteger a = new AtomicInteger(0);
        //相当于i++
        a.getAndIncrement();

【

伪代码实现

】

class AtomicInteger {
    private int value;
    public int getAndValue() {
        int oldValue = value;
        while(CAS(value, oldValue, oldValue + 1) != true) {
            oldValue = value;
        }
        return oldValue;
    }
}

假设两个线程同时调用getAndIncrement。按照我们原来的思想如果不加锁，会产生线程安全的问题。

1）两个线程都读取 value 的值到 oldValue 中（oldvalue是栈内存上的值，每个线程都有自己的栈）

2）线程1先执行CAS操作。由于oldValue和value的值相同，直接进行对value赋值。

CAS是直接读写内存的，而不是操作寄存器的；
CAS的读内存，比较，写内存操作时一条硬件指令，是原子的。

3)线程2执行CAS操作，第一次CAS的时候发现oldValue和value不相等，不能进行赋值。因此需要进入循环。

在循环里重新读取value的值赋值给oldValue

4)线程2接下来第二次执行CAS，此时oldValue和value相同，于是直接执行赋值操作。

5）线程1和线程2返回各自的oldValue的值即可。

2.2实现自旋锁

基于CAS实现更加灵活的锁，获取到更多的控制权。

【

伪代码

】

class SpinLock {
    private Thread owner = null;
    public void lock() {
        //通过CAS看当前锁是否被某个线程持有
        //如果这个锁已经被其他的线程持有，那么就自选等待。
        //如果这个锁没有被别的线程持有，那么就把owner设为当前尝试加锁的线程
        while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())) {}
    }
    public void unlock() {
        this.owner = null;
    }
}

2.3CAS的ABA问题

2.3.1什么是ABA问题

ABA问题：

假设存在两个线程t1和t2。有一个共享变量num,初始值为A。

接下来，线程t1向使用CAS把num值改为Z,那么就需要

先读取num的值，记录到oldNum变量中；
使用CAS判定当前num的值是否为A，如果为A，就更改为Z

但是，在t1执行这两个操作之间，t2线程可能把num的值从A改成了B，又从B改成了A

线程t1的CAS是期望num不变就修改。但是num的值已经被t2给改啦，只不过又改成了A。这个时候t1究竟是否更新num的值为Z呢？

到这一步，t1线程无法区分但概念这个变量始终是A，还是经历了一个变化过程。

2.3.2 ABA问题引来的BUG

大部分的情况下，t2线程这样的一个反复横跳的改动，对于t1是否修改num是没有影响的。但是不排除一些特殊情况。

假设滑稽老哥有100快钱存款，滑稽想从ATM取50块钱。取款机创建了两个线程，并发的执行-50操作。

我们期望一个线程执行-50成功，另一个线程-50失败。

如果使用CAS的方式来完成这个扣款过程就可能出现问题。

正常过程

1）存款100，线程1获取到当前存款值为100，期望更新为50；线程2获取到当前存款为100，期望更新50

2）线程1执行扣款成功，存款被改为50.线程2阻塞等待中。

3）轮到线程2执行了，发现当前存款为50，和之前读到的100不同，执行失败。

异常的过程

1）存款100。线程1获取到当前存款为100，更新期望值50；线程2获取到当前线程为100，期望更新为50；

2）线程1执行扣款成功后，线程2阻塞等待中；

3）在线程2执行前，滑稽的朋友正好给滑稽转账，余额变为100！！

轮到线程2执行了，发现当前存款为100，和之前读到的100相同，再次执行了扣款操作。

这个时候，我们发现同一个扣款操作，却执行了两次！！！

同样的栗子：

有单向链表a->b->c，线程1：我们想让 c 改为 d。线程2：我们将ba节点删除。

当线程1从内存中读取到c的时候oldValue = c。线程2抢占式执行，删除了a,b,c节点又添加了c节点，线程2执行完毕。线程1执行，发现还是原来的c，我们将c节点改为d。这就出现了问题。

问题导致的原因有两点：线程抢占式执行，所有操作整体不具有原子性（获取主内存中的值和比较交换之间不具有原子性）

2.3.3解决方案

我们给要修改的值，引入版本号，在CAS比较数据当前值和旧的值的时候，也要比较版本号是否符合预期。

CAS操作在读取旧值的同时也要读取版本号；
真正修改的时候，
- 如果当前版本号和读到的版本号相同，则修改数据，版本号+1；
- 如果当前版本号高于读到的版本号，就操作失败

3.相关面试题

1）讲解一下你理解的CAS机制

全程Compare and swap，即“比较并交换”。相当于通过一个原子的操作，同时完成“读内存，比较是否相等，修改内存”这三个步骤，本质上需要CPU指令的支持。

2）ABA问题怎么解决？

引入一个版本号，在CAS比较数据当前值和旧值的时候，也要比较版本号是否符合预期。如果版本号一致才能修改成功，如果不一致，则执行失败。

原文链接：https://blog.csdn.net/fengxia110/article/details/129797801