【高薪程序员必看】万字长文拆解Java并发编程！(6-1)：从CAS无锁机制到Atomic原子类实战指南

摘星.

发布于 2025-05-20 14:30:44

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🌟 大家好，我是摘星！ 🌟

今天给大家带来的是 《Java高并发编程核心：CAS无锁机制与原子类深度解析》 💻⚡

在这篇文章中，我们将一起探索： 🔹 CAS（Compare-And-Swap） 的底层原理，它是如何通过 CPU指令 实现无锁并发的？ 🔹 乐观锁 vs 悲观锁 的终极对决，为什么高并发场景下CAS性能更优？ 🔹 ABA问题 的陷阱与解决方案——AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference实战演示！ 🔹 Atomic原子类全家桶（AtomicInteger、LongAdder等）的使用场景与性能对比 🔹 危险的 Unsafe 黑魔法：为什么阿里禁止使用却又是并发库的基石？

无论你是： ✅ 面试突击（BATJ高频考点） ✅ 性能调优（如何设计百万级计数器） ✅ 底层原理控（从Java代码到CPU指令的全链路分析）

这篇文章都会让你收获满满！✨

你在项目中用过CAS吗？遇到过哪些坑？欢迎评论区分享~ 👇

6. 无锁并发-乐观锁

6.1. CAS

CAS(Compare and Swap)是一种无锁的并发控制机制,常用于多线程环境下的原子操作。

CAS操作包含三个参数:变量当前值、变量期望值、更新值，具体步骤如下：

读取变量当前值
比较变量当前值和期望值是否相等
如果相等，说明变量的值没有被其他线程修改过，将更新值赋给变量
如果不相等，说明变量的值已经被其他线程修改，CAS操作失败

要素	说明
操作原理	比较当前值（V）、期望值（E）、新值（N），若 V==E 则更新为 N，否则失败
底层依赖	volatile（保证可见性） + CPU原子指令（如x86的CMPXCHG）
乐观锁思想	假设无竞争，失败时重试而非阻塞

CAS操作依赖于volatile的可见性来读取变量当前值,并且依赖volatile的禁止重排序的特性来保证原子性

CAS是基于乐观锁的思想，假设别的线程不会修改共享资源，就算修改了也没关系，乐观锁在修改共享资源时会对资源进行一次检查，如果没有被修改过则直接更新，如果被修改过就重试。因此效率高，因为它避免了加锁和解锁的操作，竞争失败时也不会发生线程上下文切换的情况。但是它也存在一些问题，比如ABA问题，以及激烈的竞争情况下会导致不断重试。

在Java中，CAS是使用java.util.concurrent.atomic包中的原子类实现的,常用的CAS操作是由AtomicXXX类提供的，比如AtomicInteger、AtomicLong等。这些类提供了一系列的原子操作方法，如compareAndSet()、getAndIncrement()等，来实现无锁的并发控制。

对比维度	CAS（乐观锁）	悲观锁（如synchronized）
线程阻塞	❌ 无阻塞，失败时自旋重试	✅ 竞争失败时线程挂起
适用场景	低冲突、短耗时操作（如计数器）	高冲突、长耗时操作（如数据库事务）
ABA问题	存在（需版本号解决）	不存在
性能开销	⚡ 轻量级（无上下文切换）	⚠️ 重量级（锁竞争、唤醒开销）

6.2. ABA问题解决

CAS 存在一个经典的问题，就是 ABA 问题，即在多线程环境下，如果一个值原来是 A，后来变成了 B，然后又变回 A，但是CAS操作仍然操作成功,这是不被允许的。

为了解决 CAS 的 ABA 问题，Java 并发包提供了以下两种方法：

使用 AtomicStampedReference：AtomicStampedReference 是一个带有标记的引用类，它对应的共享变量是一个包装了 value 和 stamp（标记）的对象。通过比较和交换引用值和标记值，AtomicStampedReference 可以解决 ABA 问题。每当共享变量发生变化时，都需要更新标记值，这样即使值发生了 ABA 的变化，标记值也会发生变化，从而保证 CAS 可以正确地判断出是否发生了变化。
使用 AtomicMarkableReference：AtomicMarkableReference 是另一个带有标记的引用类，相比于 AtomicStampedReference，它使用了一个 boolean 类型的标记来解决 ABA 问题。与 AtomicStampedReference 类似，每当共享变量发生变化时，都需要更新标记值。通过比较和交换引用值和标记值，AtomicMarkableReference 可以避免 ABA 问题。

方案	原理	代码示例
AtomicStampedReference	通过int stamp版本号标记状态变化	java<br>AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);<br>ref.compareAndSet(100, 200, 0, 1);<br>
AtomicMarkableReference	通过boolean mark标记状态（简化版）	java<br>AtomicMarkableReference<Integer> ref = new AtomicMarkableReference<>(100, false);<br>ref.compareAndSet(100, 200, false, true);<br>

6.3. 原子类

在Java并发编程中，原子类是一组提供原子操作的类。原子操作是指不可分割的操作，不会被其他线程中断，也不会被中断其他操作。Java提供了一些原子类，用于处理并发编程中的线程安全问题。

以下是一些常见的原子类：

AtomicBoolean：提供了用于原子操作布尔值的方法，比如get()、set()、getAndSet()和compareAndSet()等。
AtomicInteger和AtomicLong：分别提供了原子操作整型和长整型的方法。例如，incrementAndGet()、decrementAndGet()、getAndIncrement()、getAndDecrement()、getAndAdd()等。
AtomicReference：用于原子操作引用类型的变量。它提供了get()、set()、getAndSet()和compareAndSet()等方法。
AtomicReferenceArray：类似于AtomicReference，但是用于数组。它提供了对数组元素进行原子操作的方法，如get()、set()、getAndSet()和compareAndSet()等。
AtomicIntegerArray和AtomicLongArray：类似于AtomicInteger和AtomicLong，但是用于整型数组和长整型数组。提供了对数组元素进行原子操作的方法，如get()、set()、getAndSet()和compareAndSet()等。

类别	典型类	适用场景
基本类型	AtomicInteger/Long	计数器、序号生成（如i++原子化）
引用类型	AtomicReference	对象引用的原子更新（如单例模式）
数组类型	AtomicIntegerArray	并发安全的数组操作
字段更新器	AtomicIntegerFieldUpdater	已存在类的volatile字段原子更新（减少对象开销）

AtomicInteger API

方法	作用	等效代码（非原子）
i.get()	获取当前值	int val = i;
i.incrementAndGet()	++i（先增后取）	return ++i;
i.getAndIncrement()	i++（先取后增）	return i++;
i.updateAndGet(x -> x*2)	原子运算（如乘2）	i = i * 2; return i;