volatile、AtomicInteger、CAS 三连问：并发无锁机制一篇通透

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《volatile、AtomicInteger、CAS 三连问：并发无锁机制一篇通透》

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一、前言：从“加锁”到“无锁”的演进

前几篇我们讲了 synchronized 和 ReentrantLock，它们属于加锁同步机制。
但在高并发场景下，加锁会带来线程阻塞、上下文切换等性能开销。

于是，Java 提供了更轻量的方案：

volatile + CAS + 原子类（Atomic）
这是并发中最“高频三连问”，也是面试官判断你是否真正理解底层并发的关键。

一句话速记：

volatile 保可见，
CAS 保原子，
Atomic 封装好工具。

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二、volatile：可见性与有序性保障

（1）作用：

volatile 变量保证：

• 可见性：线程修改立即刷新主内存；
• 禁止指令重排：确保操作顺序执行；
• 但不保证原子性。

（2）典型示例：线程标志

volatile boolean running = true;public void run() {while (running) {// do something}
}

当其他线程设置 running = false 时，循环会立即停止。

（3）底层原理

编译器在 volatile 读写前后插入内存屏障（Memory Barrier）：

• 写入前：StoreStoreBarrier
• 写入后：StoreLoadBarrier

保证数据及时写回主内存 + 禁止乱序。

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三、CAS：无锁的原子操作核心

（1）概念

CAS（Compare And Swap，对比并交换）是一种原子操作指令：

“如果当前值等于期望值，则更新为新值；否则重试。”

示意：

while (true) {int old = value;if (compareAndSwap(value, old, old + 1))break;
}

（2）底层实现

• Java 层：Unsafe.compareAndSwapInt()
• CPU 层：使用汇编指令 cmpxchg 实现原子操作（带总线锁）

（3）优点

• 无需加锁 → 高性能；
• 原子性由硬件保证。

（4）缺点

问题	说明	解决方案
ABA 问题	值改为 A→B→A，CAS 误判成功	用版本号 AtomicStampedReference
自旋开销大	失败后反复重试	限制自旋次数或退让
只能单变量	多变量同步难	使用锁或封装结构

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四、AtomicInteger：CAS 的“实用封装版”

（1）定义

AtomicInteger 是 JUC 包下的原子类，用于无锁自增/自减操作：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
}
private volatile int value;

它底层用的就是 CAS + volatile！

（2）使用示例

AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);count.incrementAndGet(); // 自增
count.getAndAdd(5);      // 加 5
count.compareAndSet(5, 10); // CAS 修改

（3）源码核心

public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

getAndAddInt 内部通过 CAS 循环实现原子性：

do {oldValue = getIntVolatile(obj, offset);newValue = oldValue + delta;
} while (!compareAndSwapInt(obj, offset, oldValue, newValue));

（4）典型场景

• 计数器（如并发请求数）
• 并发限流
• 异步任务统计

（5）口诀速记

Atomic 封装 CAS 计数器，
高并发下更高效。

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五、三者关系与对比总结

项目	volatile	CAS	AtomicInteger
级别	关键字	算法机制	封装类
保证特性	可见性、有序性	原子性	可见性 + 原子性
是否加锁	否	否	否
是否阻塞	否	否	否
是否复合操作	❌ 否	❌ 否	✅ 是
应用场景	状态标志	原子更新	计数器、自增、自减

一句话总结：

volatile 提供可见性，
CAS 提供原子性，
Atomic 把它们打包成易用工具。

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六、面试总结

面试高频问题整理

问题	答案模板
Q1：volatile 能保证原子性吗？	不能，只保证可见性和有序性。
Q2：CAS 是怎么保证线程安全的？	利用 CPU 的原子指令 cmpxchg，操作不可中断。
Q3：CAS 为什么会有 ABA 问题？	值被改为 A→B→A，CAS 检测不到变化。
Q4：AtomicInteger 为什么高效？	基于 CAS + volatile，无锁且原子。
Q5：CAS 一直失败会怎样？	线程自旋重试，可能浪费 CPU，称为“自旋锁”。

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结语

从 synchronized → Lock → AQS → CAS → Atomic，
Java 并发的演进，就是从“锁住别人”到“优化自己”。
掌握这三连问，面试时你不止能答出八股，更能解释底层逻辑。

下一篇，我会写——
《线程池 ThreadPoolExecutor 全解析：核心参数、执行流程与拒绝策略》，
这将进入并发编程的“高频压轴题”。

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