Java并发编程原理精讲：CAS与Atomic原子操作详解

一、CAS无锁并发原理全解

1.1 CAS介绍

1.1.1 CAS全称与定义

CAS全称Compare And Swap，比较并交换，是非阻塞同步的实现原理，是CPU硬件级别提供的无锁原子指令，属于乐观锁核心实现原理，JDK底层依托Unsafe类封装调用，实现多线程下变量无锁安全修改。

CAS三大核心操作参数：内存值V、预期旧值E、更新新值N

1.1.2 CAS核心核心定论

1. CAS是乐观锁、synchronized是悲观锁，二者并发设计理念完全对立

2. CAS硬件级原子指令，执行过程不可被线程中断，天然保证操作原子性

3. JDK5之后所有Atomic原子类、自旋锁、ConcurrentHashMap底层全部依托CAS实现

1.2 CAS完整执行过程

1.2.1 标准执行逻辑

1. 线程从主内存读取共享变量，获取当前内存值V

2. 线程传入预期修改旧值E、目标修改新值N

3. CPU原子比对：内存值V == 预期旧值E？

   1. 相等：说明变量未被其他线程修改，直接将内存值V更新为新值NB，返回修改成功

   2. 不相等：说明变量已被其他线程篡改，放弃本次修改，返回修改失败

4. 修改失败后，线程自选重试，直至修改成功

具体流程图如下:

1.2.2 通俗案例

银行卡余额：当前余额100（V），我预期余额100（E），想要充值改为200（N）；查询余额没变则修改，余额变动则放弃充值，重新读取余额重试。

1.3 CAS代码使用方式

Java无法直接调用CPU指令，必须通过sun.misc.Unsafe底层类调用native本地方法执行CAS操作，分为原生Unsafe调用、原子类封装调用两种方式。

1.3.1 方式1：原生Unsafe手动CAS实操

public class CasUnsafeDemo { // 共享变量 private volatile int num = 0; // 获取Unsafe底层对象 private static final Unsafe UNSAFE; // 变量内存偏移量 private static long offset; static { try { UNSAFE = Unsafe.getUnsafe(); // 获取num变量内存地址偏移量 offset = UNSAFE.objectFieldOffset(CasUnsafeDemo.class.getDeclaredField("num")); } catch (Exception e) { throw new RuntimeException(e); } } public static void main(String[] args) { CasUnsafeDemo demo = new CasUnsafeDemo(); // CAS参数：对象、偏移量、预期旧值、更新新值 boolean success = UNSAFE.compareAndSwapInt(demo, offset, 0, 100); System.out.println("CAS修改结果："+success); // true } }

以compareAndSwapInt 为例，Unsafe 的compareAndSwapInt 方法接收4 个参数，分别是：对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。该方法会针对指定对象实例中的相应偏移量的字段执行CAS 操作。

1.3.2 方式2：AtomicInteger封装简化使用（生产常用）

// 内置封装CAS，无需手动操作Unsafe偏移量 AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0); // 比较并交换：预期0，更新为200 boolean casResult = atomicInteger.compareAndSet(0,200);

1.4 CAS线上生产应用场景

1. JDK并发容器底层：ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList读写CAS管控并发

2. 原子计数场景：接口访问量、秒杀库存、全局序列号、线程计数器

3. 自旋锁自定义实现：基于CAS实现轻量自旋锁，替代短时synchronized锁

4. 乐观锁业务落地：数据库版本号乐观锁、分布式本地无锁扣减

5. 线程池状态修改：线程池运行/关闭状态，CAS原子修改状态标识

6. 自定义并发工具：实现限流计数器、令牌桶限流核心逻辑

1.5 CAS底层源码深度分析（JDK8 HotSpot）

1.5.1 Java层Unsafe入口源码

// native本地方法，直接对接操作系统+CPU指令 public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);

1.5.2 JNI本地C++源码流程

1. Unsafe调用Jni接口，跳转hotspot源码unsafe.cpp

2. 封装入参，调用Atomic::cmpxchg原子汇编方法

3. 追加lock总线锁指令：锁定CPU总线，保证多CPU核心下指令原子性

4. 执行CPU汇编指令：cmpxchg 完成硬件级比较交换

5. 释放总线锁，返回布尔修改结果至Java层

1.5.3 核心底层要点

• volatile配合CAS：volatile保证变量内存可见性，CAS保证修改原子性，二者缺一不可

• lock指令：锁定总线，禁止其他CPU同时修改共享变量，解决多核并发竞争

1.6 CAS核心优势（对比synchronized悲观锁）

• 无线程阻塞：CAS自旋重试，不会进入内核态阻塞线程，无线程上下文切换开销

• 性能极高：短时竞争场景，CAS吞吐量远超重量级synchronized锁

• 开销极低：用户态完成操作，无需内核态切换，系统资源占用少

• 粒度灵活：仅针对单个共享变量修改，锁粒度远小于对象锁、类锁

• 代码轻量化：原子类封装后编码简单，无需手动加锁解锁

1.7 CAS原生四大缺陷

• 自旋开销大：高并发竞争激烈时，CAS无限重试自旋，持续占用CPU资源，CPU飙高

• 只能保证单个变量原子性：无法实现多个共享变量联合原子修改，仅支持单变量操作

• 无法拦截业务逻辑：仅能比对变量值，无法管控业务代码流程

• 存在ABA并发问题：变量值轮回篡改，CAS无法感知中间修改流程，判定修改无误，引发业务bug

1.8 ABA问题完整闭环：定义、危害、解决方案

1.8.1 ABA问题标准定义

线程1读取内存值A，准备CAS修改；期间线程2将值A改为B，再改回A；线程1比对内存值依旧为A，判定变量未修改，直接执行修改，忽略变量中间篡改流程，即为ABA问题。

1.8.2 ABA业务危害

资金转账、库存扣减、链表节点修改、分布式余额场景，会出现数据错乱、节点丢失、资金扣减异常，高资产业务致命bug。

1.8.3 ABA三大解决方案（优先级排序）

1. 版本戳机制（最优方案）：新增版本号Stamp，不仅比对变量值，同时比对版本号，每修改一次版本号自增，值相同版本不同则判定已修改，JDK自带AtomicStampedReference实现

2. 时间戳标记：绑定变量最后修改时间，双重校验值+时间戳

3. 业务全局唯一标识：业务层增加流水ID，规避数值轮回复用

1.8.4 解决ABA代码示例

// 带版本戳原子引用，解决ABA AtomicStampedReference<Integer> stamped = new AtomicStampedReference<>(100,1); // 参数：预期值、新值、预期版本、新版本 stamped.compareAndSet(100,200,1,2);

二、Atomic原子操作类全解（JDK8专属差异化）

在并发编程中很容易出现并发安全的问题，有一个很简单的例子就是多线程更新变量i=1,比如多个
线程执行i++操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。实际上，在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据，在java中则是使用CAS操作具体实现。

2.1 JDK8六大分类原子操作类、JDK7/JDK8差异对比

2.1.1 JDK8全套原子类分类

1. 基本数据类型原子类：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean

2. 引用类型原子类：AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference

3. 数组原子类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

4. 对象字段原子类：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

5. 累加器原子类（JDK8新增）：：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、
   LongAdder、Striped64

6. 复合标记原子类：带版本/标记防ABA专属原子类

2.1.2 JDK7与JDK8原子类核心差异

2.2 全类型原子类实操示例代码（可直接运行）

2.2.1 基本类型原子类示例

// 整型原子类 AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0); atomicInt.getAndIncrement(); // i++ atomicInt.incrementAndGet(); // ++i atomicInt.addAndGet(5); // 累加指定值 atomicInt.compareAndSet(5,10); // CAS修改

2.2.2 引用类型防ABA原子类示例

// 带版本戳，彻底解决ABA User user1 = new User(1,"张三"); User user2 = new User(2,"李四"); // 初始值+初始版本号 AtomicStampedReference<User> atomicUser = new AtomicStampedReference<>(user1,1); // 校验值+版本，双重CAS atomicUser.compareAndSet(user1,user2,1,2);

2.2.3 数组原子类示例

// 数组下标元素原子修改，线程安全 AtomicIntegerArray intArray = new AtomicIntegerArray(new int[]{1,2,3}); // 修改下标0元素，预期1改为99 intArray.compareAndSet(0,1,99);

2.2.4 对象字段更新原子类示例

// 仅修改对象volatile字段，无需封装整个对象，节省内存 class Student{ public volatile int age; } // 指定类+字段原子更新 AtomicIntegerFieldUpdater<Student> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class,"age"); Student student = new Student(); updater.compareAndSet(student,0,18);

2.2.5 JDK8新增LongAdder分段累加示例

// 高并发计数首选，分段累加，性能碾压AtomicLong LongAdder longAdder = new LongAdder(); longAdder.increment(); longAdder.add(10); // 汇总所有分段数值，获取总数 long total = longAdder.sum();

2.3 Atomic原子操作类整体优缺点

2.3.1 通用优点

• 底层CAS无锁，并发性能优于synchronized重量级锁

• API封装完善，无需手动操作Unsafe、内存偏移量，开发便捷

• 细分场景适配齐全：基础类型、数组、对象、防ABA全覆盖

• JDK8优化分段CAS、缓存行填充，解决高并发自旋、伪共享痛点

• 轻量无阻塞，适合短时高频变量修改场景

2.3.2 通用缺点

• 基础原子类存在ABA问题，业务需额外引入版本戳原子类

• 超高并发竞争下，依旧存在自旋空转、CPU占用升高问题

• 仅支持变量原子修改，无法实现多行业务代码原子性

• LongAdder只能做累加统计，无法精准CAS修改指定数值

2.4 Atomic原子类使用限制

1. 多变量联动限制：无法同时原子修改多个无关共享变量，多变量必须使用锁机制

2. 字段修饰限制：对象字段原子更新，目标字段必须被volatile修饰，否则无法保证可见性

3. 访问权限限制：字段更新类，只能修改public/本类可访问字段，私有字段无法修改

4. 功能场景限制：LongAdder仅适合计数，不适合精准条件修改业务

5. 线程自旋限制：极端死锁竞争，CAS无限自旋，耗尽CPU核心资源

6. 版本维护限制：防ABA原子类，业务需要手动维护版本号，编码复杂度提升

7. 变量类型限制：只能是实例变量,只能是可修改变量

2.5 Atomic原子类线上生产分级应用场景

2.5.1 基础原子类场景（AtomicInteger/AtomicLong）

低并发接口计数、单点库存扣减、简单全局自增ID、状态标识修改

2.5.2 JDK8累加器场景（LongAdder）

超高并发流量统计、网关访问量、日志计数、监控指标累加、秒杀海量计数

2.5.3 防ABA引用原子类场景

资金账户余额修改、链表节点并发更新、分布式本地乐观锁、核心资产数据修改

2.5.4 对象字段原子更新场景

大量实体类状态修改，节省内存，无需封装整个对象为原子类，适配业务实体状态流转

2.5.5 数组原子类场景

并发批量下标数据统计、分片数据计数、数组点位独立修改业务