一、引言
Java5以来，新增加的java.util.concurrent.atomic并发包中的一些原子类，是对Java部分数据类型的原子封装，在原有数据类型的基础上，提供了原子性的操作方法，保证了线程安全。其就是建立在CAS之上的。
下面以AtomicInteger为例，来看一下是如何实现原子性操作的？
1 public final int incrementAndGet() { 2 3 for (;;) { 4 5 int current = get(); 6 7 int next = current + 1; 8 9 if (compareAndSet(current, next)) 10 11 return next; 12 13 } 14 15 } 16 17 public final int decrementAndGet() { 18 19 for (;;) { 20 21 int current = get(); 22 23 int next = current - 1; 24 25 if (compareAndSet(current, next)) 26 27 return next; 28 29 } 30 31 }
以这两个方法为例，incrementAndGet方法相当于原子性的++i，decrementAndGet方法相当于原子性的--i（我们知道++i或--i不是一个原子性的操作），这两个方法中都没有使用阻塞式的方式来保证原子性（如Synchronized），那它们是如何保证原子性的呢，下面引出CAS。
二、Compare And Swap
CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是"我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少"。（这段描述引自《Java并发编程实践》）
我们可以认为，CAS的操作包括3个操作数：内存位置V，预期原值A，新值B。
当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。因此可以理解CAS的主要就是两个步骤：冲突检测和数据更新。
这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。
volatile变量
与锁相比，volatile变量是一个更轻量级的同步机制，因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和线程调度等操作，但是volatile不能解决原子性问题，因此同步还是需要锁机制来解决。
//首先声明了一个volatile变量value，我们知道volatile保证了变量的内存可见性，也就是所有工作线程中同一时刻都可以得到一致的值。 private volatile int value; public final int get() { return value; }
下面来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。
三、Compare And Set
1 // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates 2 3 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); 4 5 private static final long valueOffset;// 注意是静态的 6 7 8 9 static { 10 11 try { 12 13 valueOffset = unsafe.objectFieldOffset 14 15 (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性，获取其在内存中的位置 16 17 } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } 18 19 } 20 21 22 23 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 24 25 return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); 26 27 }
比较并设置，这里利用Unsafe类的JNI方法实现，使用CAS指令，可以保证读-改-写是一个原子操作。compareAndSwapInt有4个参数，this - 当前AtomicInteger对象，Offset - value属性在内存中的位置(需要强调的是不是value值在内存中的位置)，expect - 预期值，update - 新值，根据上面的CAS操作过程，当内存中的value值等于expect值时，则将内存中的value值更新为update值，并返回true，否则返回false。在这里我们有必要对Unsafe有一个简单点的认识，从名字上来看，不安全，确实，这个类是用于执行低级别的、不安全操作的方法集合，这个类中的方法大部分是对内存的直接操作，所以不安全，但当我们使用反射、并发包时，都间接的用到了Unsafe。
循环设置
现在在来看开篇提到的两个方法，我们拿incrementAndGet来分析一下其实现过程。
1 public final int incrementAndGet() { 2 3 for (;;) {// 这样优于while(true) 4 5 int current = get();// 获取当前值 6 7 int next = current + 1;// 设置更新值 8 9 if (compareAndSet(current, next)) 10 11 return next; 12 13 } 14 15 }
循环内，获取当前值并设置更新值，调用compareAndSet进行CAS操作，如果成功就返回更新至，否则重试到成功为止。这里可能存在一个隐患，那就是循环时间过长，总是在当前线程compareAndSet时，有另一个线程设置了value，这个当然是属于小概率时间，目前Java貌似还不能处理这种情况。
缺点
虽然使用CAS可以实现非阻塞式的原子性操作，但是会产生ABA问题，下篇文章阐述关于ABA问题。
四、小结
现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。
在没有锁的机制下需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的）。这样才获取变量的值的时候才能直接读取。
乐观锁可以认为是一种思想，CAS(Compare and Swap)是乐观锁的一种实现。
Compare And Set整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。