标签：面试题 Java CAS 原子 版本号 线程 操作 内存地址
CAS
CAS（Compare And Swap，比较并交换）自旋抢锁。
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原理
CAS的原理是拿期望的值和原本的一个值作比较，如果相同则更新成新的值。
CAS 操作用得比较多的是 sun.misc 包的 Unsafe 类，UnSafe 类的 objectFieldOffset() 方法是一个本地方法，这个方法是用来拿到“原来的值”的内存地址，返回值是 valueOffset。另外 value 是一个volatile变量，在内存中可见，因此 JVM 可以保证任何时刻任何线程总能拿到该变量的最新值。
Java 并发包大量使用 Unsafe 类的 CAS 操作。AtomicXXX原子类（本质是自旋锁 + CAS）
使用CAS进行无锁编程
CAS是一种无锁算法，该算法关键依赖两个值——期望值（旧值） 和新值，底层CPU利用原子操作判断内存原值与期望值是否相等，如果 相等就给内存地址赋新值，否则不做任何操作。
使用CAS进行无锁编程的步骤大致如下：
（1）获得字段的期望值（oldValue）。
（2）计算出需要替换的新值（newValue）。
（3）通过CAS将新值（newValue）放在字段的内存地址上，如果 CAS失败就重复第（1）步到第（2）步，一直到CAS成功，这种重复俗 称CAS自旋。
接下来执行线程B的CAS(100,300)操作，此时内存地址的值为200， 不等于CAS的期望值100，线程B操作失败。线程B只能自旋，开始新的 循环，这一轮循环首先获取到内存地址的值200，然后进行 CAS(200,300)操作，这一次内存地址的值与CAS的预期值（oldValue） 相等，线程B操作成功。
当CAS将内存地址的值与预期值进行比较时，如果相等，就证明内存地址的值没有被修改，可以替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，就说明内存地址的值已经被修改，放弃替换操作，然后重新自 旋。当并发修改的线程少，冲突出现的机会少时，自旋的次数也会很 少，CAS的性能会很高；当并发修改的线程多，冲突出现的机会多时， 自旋的次数也会很多，CAS的性能会大大降低。所以，提升CAS无锁编 程效率的关键在于减少冲突的机会。
CAS操作的弊端和规避措施
CAS操作的弊端主要有以下三点：
1.ABA问题
存在 ABA 问题，即原来内存地址的值是 A，然后被改为了 B，再被改为 A 值，此时 CAS 操作时认为该值未被改动过，ABA 问题可以引入版本号来解决，每次改动都让版本号 +1。Java 中处理 ABA 的一个方案是 AtomicStampedReference 类，它是使用一个 int 类型的字段作为版本号，每次修改之前都先获取版本号和当前线程持有的版本号比对，如果一致才进行修改操作，并把版本号 +1。
2.只能保证一个共享变量之间的原子性操作
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS就无法保证操作的原子性。
一个比较简单的规避方法为：把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。
JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个AtomicReference实例后再进行CAS操作。比如有两 个共享变量i＝1、j=2，可以将二者合并成一个对象，然后用CAS来操作该合并对象的AtomicReference引用。
3.开销问题
自旋CAS如果长时间不成功（不成功就一直循环执行，直到成功），就会给CPU带来非常大的执行开销。
解决CAS恶性空自旋的有效方式之一是以空间换时间，较为常见的方案为：
（1）分散操作热点，使用LongAdder替代基础原子类 AtomicLong，LongAdder将单个CAS热点（value值）分散到一个cells数 组中。
（2）使用队列削峰，将发生CAS争用的线程加入一个队列中排队，降低CAS争用的激烈程度。JUC中非常重要的基础类AQS（抽象队列同步器）就是这么做的。
CAS操作在JDK中的应用
CAS在java.util.concurrent.atomic包中的原子类、Java AQS以及显式锁、CurrentHashMap等重要并发容器类的实现都有非常广泛的应用。
在java.util.concurrent.atomic包的原子类（如AtomicXXX）中都使用 了CAS来保障对数字成员进行操作的原子性。
java.util.concurrent的大多数类（包括显式锁、并发容器）都是基于 AQS和AtomicXXX来实现的，其中AQS通过CAS保障它内部双向队列头部、尾部操作的原子性。
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