比较和交换是设计并发算法时使用的一种技术。基本上，比较和交换将期望值与变量的具体值进行比较，如果变量的具体值等于期望值，则将变量的值交换为新变量。比较和交换听起来可能有点复杂，但是一旦我们理解了它，它实际上就相当简单了，所以让我对这个话题做进一步的阐述。

旨在比较哪些情况以进行比较和交换

在程序和并发算法中，一种非常普遍出现的模式是"先检查后行动"模式。当代码首先检查变量的值，然后基于该值进行操作时，将出现检查然后操作模式。这是一个简单的示例：

class MyLock {

    private boolean locked = false;

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

如果要在多线程应用程序中使用此代码，则有很多错误，但是现在请忽略它。

如我们所见，" lock()"方法首先检查" locked"成员变量是否等于" false"(检查)，如果是，则将其" locked"设置为true(然后行动)。

如果多个线程可以访问同一个MyLock实例，则不能保证上面的lock()函数可以正常工作。如果线程A检查'locked'的值并发现它为false，则线程B也可能恰好同时检查'locked'的值并将其视为'false'。或者，实际上，线程B可以在线程A检查" locked"并将其视为" false"之间的任何时间，并且在线程A将" locked"设置为" true"之前随时检查" locked"。因此，线程A和线程B都可能将"锁定"视为错误，然后两者都将基于该信息进行操作。

为了在多线程应用程序中正常工作，"先检查后行动"操作必须是原子操作。 "原子"是指"检查"和"动作"动作均作为原子(不可分割)代码块执行。任何开始执行该块的线程都将完成该块的执行，而不会受到其他线程的干扰。没有其他线程可以同时执行原子块。

这是前面的代码示例，其中使用synchronized关键字将lock()方法转换为一个原子代码块：

class MyLock {

    private boolean locked = false;

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

现在，lock()方法已同步，因此一次只能在同一个MyLock实例上执行一个线程。 lock()方法实际上是原子的。

原子的" lock()"方法实际上是"比较和交换"的一个例子。锁()方法将变量"锁定"与期望值"假"进行比较，如果"锁定"等于该期望值，则将变量值交换为"真"。

比较和交换为原子操作

现代CPU内置了对原子比较和交换操作的支持。在Java 5中，我们可以通过java.util.concurrent.atomic包中的一些新的原子类来访问CPU中的这些功能。

这是一个示例，展示了如何使用AtomicBoolean类来实现前面所示的lock()方法：

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

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

}

注意，" locked"变量不再是" boolean"而是" AtomicBoolean"。此类具有compareAndSet()函数，该函数会将" AtomicBoolean"实例的值与期望值进行比较，如果具有期望值，则将其交换为新值。在这种情况下，它将"锁定"的值与"假"进行比较，如果为"假"，则将" AtomicBoolean"的新值设置为"真"。

如果交换了值，则compareAndSet()方法返回true，否则返回false。