CAS（Compare-And-Swap或Compare-And-Set）操作是一种重要的并发原语，广泛用于实现无锁编程中的原子操作。CAS操作包含三个基本操作数：内存位置（V）、预期原值（E）和新值（N）。其操作逻辑是：“只有当内存位置V的值与预期原值E相匹配时，才将内存位置V上的值更新为新值N”，这个过程是原子的。如果V的值不等于E，那么操作失败，内存位置V的值不会被更新。此外，CAS通常会返回操作是否成功的标志，有些实现还会返回当前内存位置V的实际值。
如何使得原子类工作
Java的原子类（如AtomicInteger、AtomicLong等），就是利用了CAS操作来实现线程安全的原子操作。这些类提供了一种机制，可以在没有锁的情况下进行线程安全的更新操作，从而在某些场景下提供比传统锁更好的性能。
AtomicInteger的例子
以AtomicInteger为例，它是基于CAS操作实现的。下面是一个简化的AtomicInteger的getAndIncrement方法实现，展示了如何使用CAS操作。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private volatile int value;
public final int getAndIncrement() {
int current;
do {
current = value; // 当前值
// CAS操作：比较当前值与内存中的值，如果相同，则更新为current+1
} while (!compareAndSet(current, current + 1));
return current;
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
// 假设这是一个原子操作，实际上这一步是由底层硬件指令实现的
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// 其他方法略去...
}
在getAndIncrement方法中，首先读取当前的value值，然后使用CAS操作尝试将其更新为value+1。如果在这个过程中value被其他线程修改了，compareAndSet方法会失败，循环会继续，直到CAS操作成功为止。这种机制确保了即使多个线程同时尝试更新同一个AtomicInteger，每次也只有一个线程能够成功，从而保证了操作的原子性。
CAS的优点
- 性能：在没有线程竞争的情况下，CAS的性能通常优于锁。因为CAS避免了线程的上下文切换和锁的开销。
- 可扩展性：对于高度竞争的环境，尽管CAS可能会导致大量的CPU循环等待，但它的性能通常仍然优于锁，因为锁可能导致线程挂起和上下文切换。
CAS的缺点
- ABA问题：如果变量V先从A变为B，然后又从B变回A，CAS操作无法识别出变量已经被修改过两次。
- 循环时间长开销大：在高度争用的情况下，CAS操作可能需要多次循环，这会增加CPU的消耗。
- 只能保证一个共享变量的原子操作：如果需要同时更新多个共享变量，就无法使用CAS实现。
为了解决ABA问题，一些原子类提供了带有版本号的CAS操作，如AtomicStampedReference，通过检查时间戳或版本号来避免ABA问题。
CAS操作是实现高性能并发控制的关键技术之一。通过精心设计，可以利用CAS操作构建出无锁的数据结构和算法，以提高并发系统的性能和可扩展性。