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Java原子类的实现原理 CAS的使用以及缺陷

ai 2025/8/13 22:42:53

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CAS

CAS（Compare-And-Swap）是一种原子操作，广泛用于并发编程中实现无锁（lock-free）数据结构，它的核心功能是比较并交换。

boolean CAS(address, old_value, new_value) {if (&address == old_value) {&address = new_value;return true;}return false;
}

读取阶段：
CAS操作会原子性地读取内存中的当前值（称为expected或old_value），同时记录该内存位置的值（这个操作是原子的，不会被中断）。
比较阶段：
在准备写入新值前，会检查当前内存值&address内部的值，是否仍然等于之前读取的old_value。
- 如果内存值未变（等于old_value），说明内存的值在这个过程中并没有被修改，则进入写入阶段。
- 如果内存值已变（不等于old_value），说明内存的值在这个过程中被修改过了，则立即返回false（表示失败）。
写入阶段（仅当比较成功时）：
原子性地将新值（new_value）写入内存，并返回true（表示成功）。
返回值含义：
- true：内存值未被其他线程修改，且新值写入成功。
- false：内存值已被其他线程修改，操作失败（此时寄存器中的old_value已过时）。

原子类的实现

既然这个操作是原子性的，那么他对于我们有什么用呢？它最大的作用就是来实现原子类。

上述我们提到过，他可以进行比较和交换操作，同时我们可以用它来判定他是否有被修改过，那我们可以使用这个方式来进行多线程下的增加数值操作：

while ( CAS(value, oldValue, oldValue+1) != true) {oldValue = value;}

在高并发状态下，如果这个值被多个线程同时修改就会产生线程安全问题，最明显的现象就是这个值和我们理想的结果并不一样。

而如果我们使用CAS来进行这个操作，他会根据你的当前内存真实值和之前识别的旧值oldValue是否一致，来判断你的真实值有没有被修改过，而如果是被修改过后的，那么我们的oldvalue也需要进行相应更新，因为我们要交换的值是根据oldvalue来进行判断的。

这样的操作可以保证每次增加的值都是“有效”的，而不会造成线程安全问题。

原子类的使用

原子类的增加机理就是通过上述方式实现的，使用原子类的目的是避免加锁，在Java中提供了一些原子类的封装。

它们被封装在java.util.concurrent.atomic下（非完整版）：

原子类	描述
`AtomicBoolean`	一个可自动更新的 `boolean` 值。
`AtomicInteger`	一个可自动更新的 `int` 值。
`AtomicIntegerArray`	元素可原子更新的 `int` 数组。
`AtomicIntegerFieldUpdater<T>`	基于反射的工具类，用于原子更新指定类的 `volatile int` 字段。
`AtomicLong`	一个可自动更新的 `long` 值。
`AtomicLongArray`	元素可原子更新的 `long` 数组。
`AtomicLongFieldUpdater<T>`	基于反射的工具类，用于原子更新指定类的 `volatile long` 字段。

他们的使用方法很简单，例如AtomicInteger增减方法

方法名	返回值	说明	等价操作
`getAndIncrement()`	`int`	原子递增 1，返回旧值	`i++`
`getAndDecrement()`	`int`	原子递减 1，返回旧值	`i--`
`getAndAdd(int delta)`	`int`	原子增加 `delta`，返回旧值	-
`incrementAndGet()`	`int`	原子递增 1，返回新值	`++i`
`decrementAndGet()`	`int`	原子递减 1，返回新值	`--i`
`addAndGet(int delta)`	`int`	原子增加 `delta`，返回新值	-

基于cas实现自旋锁

基于 CAS 实现更灵活的锁, 获取到更多的控制权.。

伪代码：

public class SpinLock {private Thread owner = null;public void lock(){while(!CAS(this.owner, null, Thread.currentThread())){}}public void unlock (){this.owner = null;}
}