Java面试3-能谈下CAS机制吗？

CAS是Java中Unsafe类里面的方法，它的全称是Compare And Swap，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。

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，但是加同步锁会带来性能上的损耗，所以对于这类场景，就可以使用CAS机制来进行优化。

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 (Exception ex) {
            throw new Error(ex);
        }
    }

    public void doSomething() {
        if (unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, 0, 1)) {
            // TODO
        }
    }
}

在doSomething()方法中，我们调用了unsafe类的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。
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环境中，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：

1. J.U.C里面Atomic的原子实现，比如AtomicInteger、AtomicLong。
2. 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。