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Java高频面试之并发编程-27

news 来源：原创 2025/6/12 16:16:59

hello啊，各位观众姥爷们！！！本baby今天又来报道了！哈哈哈哈哈嗝🐶

面试：详细说说AtomicInteger 的原理

AtomicInteger 的原理详解
AtomicInteger 是 Java 并发包 (java.util.concurrent.atomic) 中的原子类，用于实现 线程安全的整型变量操作（如 i++），其核心原理基于 CAS（Compare and Swap） 无锁算法和 volatile 可见性。以下是其实现原理的详细分析：

1. 核心设计

(1) 依赖的底层技术

CAS 操作：通过 sun.misc.Unsafe 类调用 CPU 的原子指令（如 CMPXCHG），实现无锁的原子更新。
volatile 变量：内部值 value 用 volatile 修饰，保证多线程间的可见性（直接读写主内存）。

(2) 类结构关键代码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;// 使用 Unsafe 类操作底层 CASprivate static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private static final long valueOffset; // value 字段的内存偏移量static {try {// 获取 value 字段在对象内存中的偏移量valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}private volatile int value; // 实际存储值的 volatile 变量public AtomicInteger(int initialValue) {value = initialValue;}
}

2. 关键方法实现原理

(1) `incrementAndGet()`：原子自增

public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}// Unsafe 类的实现
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v = getIntVolatile(o, offset); // 读取当前值} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); // CAS 更新return v;
}

步骤：

读取当前值：通过 getIntVolatile 读取 value 的当前值（volatile 保证可见性）。
CAS 更新：尝试用 compareAndSwapInt 将 value 从 v 更新为 v + delta。
失败重试：若 CAS 失败（值已被其他线程修改），循环重试直到成功。

(2) `compareAndSet()`：CAS 核心方法

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

若当前值等于 expect，则将其更新为 update，返回 true；否则返回 false。

(3) `get()` 和 `set()`：直接访问 volatile 变量

public final int get() {return value; // 直接读取 volatile 变量，保证可见性
}public final void set(int newValue) {value = newValue; // 直接写入 volatile 变量
}

3. 无锁设计的优势

(1) 高性能

无阻塞：线程通过自旋（循环重试）而非阻塞等待，减少上下文切换开销。
低竞争时高效：在低并发场景下，CAS 成功率极高，性能远超 synchronized 或 ReentrantLock。

(2) 避免死锁

无锁机制天然避免死锁，因为没有线程会持有锁不放。

4. 局限性及应对

(1) ABA 问题

问题描述：若变量的值从 A 改为 B 后又改回 A，CAS 无法感知中间变化。

解决方案：使用 AtomicStampedReference 或 AtomicMarkableReference，通过版本号标记状态。

AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(0, 0);
ref.compareAndSet(0, 1, 0, 1); // 检查值 + 版本号

(2) 自旋开销

问题：高并发下 CAS 失败率高，线程长时间自旋浪费 CPU。
优化策略：
- 退避算法：失败后等待一段时间再重试（如 Thread.yield()）。
- 结合锁机制：在自旋一定次数后转为阻塞锁。

(3) 仅支持单一变量

问题：无法原子更新多个变量（如 i++ 和 j++ 需同时保证原子性）。
解决方案：
- 使用 AtomicReference 封装多个变量为一个对象。
- 对复合操作使用锁（如 synchronized）。

5. 性能对比

`AtomicInteger` vs `synchronized` vs `ReentrantLock`

场景	`AtomicInteger`	`synchronized`	`ReentrantLock`
低竞争	极快（无锁自旋）	较快（偏向锁优化）	较快（CAS 尝试）
高竞争	较差（自旋开销大）	较差（线程阻塞频繁）	较差（CAS 竞争激烈）
复合操作	不支持	支持	支持