CAS（Compare and swap）比較和替換是設計併發演算法時用到的一種技術。簡單來說，比較和替換是使用一個期望值和一個變數的當前值進行比較，如果當前變數的值與我們期望的值相等，就使用一個新值替換當前變數的值。這聽起來可能有一點複雜但是實際上你理解之後發現很簡單，接下來，讓我們跟深入的瞭解一下這項技術。

CAS的使用場景

在程式和演算法中一個經常出現的模式就是“check and act”模式。先檢查後操作模式發生在程式碼中首先檢查一個變數的值，然後再基於這個值做一些操作。下面是一個簡單的示例：

class MyLock {

    private boolean locked = false;

    public boolean lock() {
        if(!locked) {
            locked = true;
            return true;
        }
        return false;
    }
}

上面這段程式碼，如果用在多執行緒的程式會出現很多錯誤，不過現在請忘掉它。

如你所見，lock()方法首先檢查locked>成員變數是否等於false，如果等於，就將locked設為true。

如果同個執行緒訪問同一個MyLock例項，上面的lock()將不能保證正常工作。如果一個執行緒檢查locked的值，然後將其設定為false，與此同時，一個執行緒B也在檢查locked的值，又或者，線上程A將locked的值設為false之前。因此，執行緒A和執行緒B可能都看到locked的值為false，然後兩者都基於這個資訊做一些操作。

為了在一個多執行緒程式中良好的工作，”check then act” 操作必須是原子的。原子就是說”check“操作和”act“被當做一個原子程式碼塊執行。不存在多個執行緒同時執行原子塊。

下面是一個程式碼示例，把之前的lock()方法用synchronized關鍵字重構成一個原子塊。

class MyLock {

    private boolean locked = false;

    public synchronized boolean lock() {
        if(!locked) {
            locked = true;
            return true;
        }
        return false;
    }
}

現在lock()方法是同步的，所以，在某一時刻只能有一個執行緒在同一個MyLock例項上執行它。

原子的lock方法實際上是一個”compare and swap“的例子。

CAS用作原子操作

現在CPU內部已經執行原子的CAS操作。Java5以來，你可以使用java.util.concurrent.atomic包中的一些原子類來使用CPU中的這些功能。

下面是一個使用AtomicBoolean類實現lock()方法的例子：

public static class MyLock {
    private AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);

    public boolean lock() {
        return locked.compareAndSet(false, true);
    }

}

locked變數不再是boolean型別而是AtomicBoolean。這個類中有一個compareAndSet()方法，它使用一個期望值和AtomicBoolean例項的值比較，和兩者相等，則使用一個新值替換原來的值。在這個例子中，它比較locked的值和false，如果locked的值為false，則把修改為true。
如果值被替換了，compareAndSet()返回true，否則，返回false。

使用Java5+提供的CAS特性而不是使用自己實現的的好處是Java5+中內建的CAS特性可以讓你利用底層的你的程式所執行機器的CPU的CAS特性。這會使還有CAS的程式碼執行更快。