1.CAS

CAS 是指Compare And Swap，比较并交换，是一种很重要的同步思想。如果主内存的值跟期望值一样，那么就进行修改，否则一直重试，直到一致为止。

public class CASDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(5);
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 2019));
        System.out.println("当前值：" + atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(5, 100));
        System.out.println("当前值：" + atomicInteger.get());
    }
}

运行结果:第一次修改，期望值为5，主内存也为5，修改成功，为2019。第二次修改，期望值为5，主内存为2019，修改失败。
查看AtomicInteger.getAndIncrement()方法，发现其没有加synchronized也实现了同步。这是为什么？

2.CAS底层原理

AtomicInteger内部维护了volatile int value和private static final Unsafe unsafe两个比较重要的参数。

public final int getAndIncrement(){
    return unsafe.getAndAddInt(this,valueOffset,1);
}

AtomicInteger.getAndIncrement()调用了Unsafe.getAndAddInt()方法。Unsafe类的大部分方法都是native的，用来像C语言一样从底层操作内存。

public final int getAnddAddInt(Object var1,long var2,int var4){
    int var5;
    do{
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

这个方法的var1和var2，就是根据对象和偏移量得到在主内存的快照值var5。然后compareAndSwapInt方法通过var1和var2得到当前主内存的实际值。如果这个实际值跟快照值相等，那么就更新主内存的值为var5+var4。如果不等，那么就一直循环，一直获取快照，一直对比，直到实际值和快照值相等为止。（自旋操作）

CAS缺点

CAS实际上是一种自旋锁

1.一直循环，开销比较大。
2.只能保证一个变量的原子操作，多个变量依然要加锁。
3.引出了ABA问题。

ABA问题

所谓ABA问题，就是比较并交换的循环，存在一个时间差，而这个时间差可能带来意想不到的问题。比如线程T1将值从A改为B，然后又从B改为A。线程T2看到的就是A，但是却不知道这个A发生了更改。尽管线程T2 CAS操作成功，但不代表就没有问题。有的需求，比如CAS，只注重头和尾，只要首尾一致就接受。但是有的需求，还看重过程，中间不能发生任何修改，这就引出了AtomicReference原子引用。

AtomicReference

AtomicInteger对整数进行原子操作，如果是一个POJO呢？可以用AtomicReference来包装这个POJO，使其操作原子化。

User user1 = new User("Jack",25);
User user2 = new User("Lucy",21);
AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
atomicReference.set(user1);
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1,user2)); // true
System.out.println(atomicReference.compareAndSet(user1,user2)); //false

AtomicStampedReference和ABA问题的解决

使用AtomicStampedReference类可以解决ABA问题。这个类维护了一个“版本号”Stamp，在进行CAS操作的时候，不仅要比较当前值，还要比较版本号。只有两者都相等，才执行更新操作。

public class ABADemo {
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    //第一个参数初始值，第二个参数初始版本号
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("======ABA问题的产生======");
        new Thread(() -> {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            try {
                //先睡一秒让上面线程先执行交换两次
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2020)
                    + "\t" + atomicReference.get().toString());

        }, "t2").start();
        try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

    }
}

运行结果，值从100->101->100,最后另外线程还是能够从100->2020，说明包装原子类是无法解决ABA问题的。即数据中途被换过无法被发现。

AtomicStampedReference.compareAndSet(expectedReference,newReference,oldStamp,newStamp);

public class ABADemo {
    static AtomicReference<Integer> atomicReference = new AtomicReference<>(100);
    //第一个参数初始值，第二个参数初始版本号
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100, 1);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("======ABA问题的产生======");
        new Thread(() -> {
            atomicReference.compareAndSet(100, 101);
            atomicReference.compareAndSet(101, 100);
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            try {
                //先睡一秒让上面线程先执行交换两次
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(atomicReference.compareAndSet(100, 2020)
                    + "\t" + atomicReference.get().toString());

        }, "t2").start();
        try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(2); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        System.out.println("======ABA问题的解决======");
        new Thread(() -> {
            //初始版本号
            int initVersion = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t初始版本号：" + initVersion);
            try{ TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            atomicStampedReference.compareAndSet(100, 101,
                    atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第二次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101, 100,
                    atomicStampedReference.getStamp(), atomicStampedReference.getStamp() + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第三次版本号：" + atomicStampedReference.getStamp());

        }, "t3").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t第一次版本号： " + stamp);
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            boolean result=atomicStampedReference.compareAndSet(100,2019,
                    stamp,stamp+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t修改成功与否："+result+"  当前最新版本号"+atomicStampedReference.getStamp());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t当前实际值："+atomicStampedReference.getReference());
        }, "t4").start();
    }
}

CAS（比较并交换、乐观锁、版本号）原理剖析