原子类与 CAS

原子类位于 java.util.concurrent.atomic 包，基于 CAS 实现无锁并发。

CAS 原理

CAS（Compare And Swap）是硬件级别的原子操作：

CAS(V, E, N)
V：变量当前值
E：期望值
N：新值

如果 V == E，则 V = N（更新成功）
否则不更新（更新失败）

CAS 特点

常用原子类

AtomicInteger 使用

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

// 获取值
int value = count.get();

// 设置值
count.set(10);

// 原子自增
count.incrementAndGet();    // 自增并返回新值
count.getAndIncrement();    // 返回旧值后自增

// 原子自减
count.decrementAndGet();
count.getAndDecrement();

// 原子加法
count.addAndGet(5);
count.getAndAdd(5);

// CAS 更新
count.compareAndSet(10, 20);  // 当前值为 10 则更新为 20

// 函数式更新
count.updateAndGet(x -> x * 2);      // 计算后返回新值
count.getAndUpdate(x -> x + 1);      // 返回旧值

AtomicReference 使用

AtomicReference<User> ref = new AtomicReference<>(new User("张三"));

User oldUser = ref.get();
User newUser = new User("李四");
ref.compareAndSet(oldUser, newUser);  // 原子更新引用

LongAdder 高并发计数

LongAdder adder = new LongAdder();

adder.increment();        // 增加 1
adder.add(100);           // 增加 100

long sum = adder.sum();   // 获取总和
adder.reset();            // 重置

LongAdder vs AtomicLong：LongAdder 使用多个 Cell 分散热点，高并发写入性能远优于 AtomicLong。适合高并发计数场景。

AtomicLong vs LongAdder

ABA 问题

问题说明

线程1：CAS(A, B) → CAS(B, A)  // A → B → A
线程2：CAS(A, C)              // 看到的是 A，但实际已被修改过

线程2 认为 A 未变，但实际经历了 A → B → A。

解决方案：AtomicStampedReference

AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);

int[] stampHolder = new int[1];
Integer value = ref.get(stampHolder);  // 获取值和版本号
int stamp = stampHolder[0];

ref.compareAndSet(100, 200, stamp, stamp + 1);  // 带版本号 CAS

版本号每次更新递增，解决 ABA 问题。

Unsafe 类

CAS 底层依赖 Unsafe 类：

// Unsafe 提供 CAS 方法（内部使用，不建议直接调用）
unsafe.compareAndSwapInt(obj, offset, expect, update);
unsafe.compareAndSwapLong(obj, offset, expect, update);
unsafe.compareAndSwapObject(obj, offset, expect, update);

Unsafe 说明：内部 API，不推荐直接使用。原子类封装了 Unsafe 操作。

原子类 vs synchronized

要点总结

• CAS：比较并交换，硬件级原子操作
• 原子类基于 CAS，无锁并发，性能优于 synchronized
• AtomicInteger/AtomicLong：整数原子操作
• AtomicReference：引用原子操作
• LongAdder：高并发计数器，性能优于 AtomicLong
• ABA 问题：可用 AtomicStampedReference 加版本号解决
• 原子类只保证单变量原子性，复合操作需其他机制
• 高并发计数推荐 LongAdder