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wzjs 2025/9/11 13:15:55

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一、原子操作类概述

Java并发包(java.util.concurrent.atomic)提供了一系列原子操作类，这些类通过无锁算法实现了线程安全的操作，相比传统的锁机制具有更高的性能。原子类基于CAS(Compare-And-Swap)指令实现，是现代并发编程的重要基础。

原子类主要分类：

基本类型：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
引用类型：AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference
数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
字段更新器：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater
累加器：LongAdder、DoubleAdder（JDK8+）
累加器增强：LongAccumulator、DoubleAccumulator（JDK8+）

二、CAS原理深度解析

1. CAS操作语义

CAS是一种原子指令，包含三个操作数：

内存位置(V)
预期原值(A)
新值(B)

当且仅当V的值等于A时，处理器才会将V的值更新为B，否则不执行任何操作。无论哪种情况都会返回V的当前值。

2. Java中的CAS实现

Java通过Unsafe类提供CAS操作支持：

public final class Unsafe {public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
}

3. CAS的三大问题

ABA问题：值从A变为B又变回A，CAS会认为没变化
- 解决方案：使用AtomicStampedReference添加版本号
循环时间长开销大：CAS失败会自旋重试，消耗CPU
- 解决方案：JVM支持pause指令降低CPU消耗
只能保证一个变量的原子操作
- 解决方案：使用AtomicReference保证多个变量的原子性

三、核心原子类实现分析

1. AtomicInteger源码解析

public class AtomicInteger extends Number {private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private static final long valueOffset;static {try {valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}private volatile int value;public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);}// Unsafe中的实现public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v = getIntVolatile(o, offset);} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));return v;}
}

2. LongAdder高性能原理

设计思想：分段CAS，减少竞争

内部维护一个Cell数组和base值
线程首先尝试更新base值
竞争激烈时，线程会分配到不同的Cell上进行更新
最终结果为base+∑Cell[i]

适用场景：高并发统计计数，不保证实时精确

四、原子类的典型应用

1. 计数器实现

public class Counter {private final AtomicLong count = new AtomicLong(0);public void increment() {count.incrementAndGet();}public long getCount() {return count.get();}
}

2. 单例模式优化

public class Singleton {private static final AtomicReference<Singleton> INSTANCE = new AtomicReference<>();private Singleton() {}public static Singleton getInstance() {for (;;) {Singleton instance = INSTANCE.get();if (instance != null) {return instance;}instance = new Singleton();if (INSTANCE.compareAndSet(null, instance)) {return instance;}}}
}

3. 状态标志管理

public class StatusManager {private final AtomicBoolean status = new AtomicBoolean(false);public void enable() {status.set(true);}public boolean tryDisable() {return status.compareAndSet(true, false);}
}

五、原子类性能优化

1. 伪共享(False Sharing)问题

问题描述：多个线程修改同一缓存行的不同变量，导致性能下降

解决方案：

JDK8使用@Contended注解自动填充（需开启JVM参数）
手动填充（对于非JDK8或特定场景）

public class PaddedAtomicLong extends AtomicLong {public volatile long p1, p2, p3, p4, p5, p6 = 7L; // 填充public PaddedAtomicLong(long initialValue) {super(initialValue);}
}

2. 计数器选型建议

场景	推荐类	原因
低竞争环境	AtomicLong	实现简单，开销小
高并发写入	LongAdder	分段减少竞争，吞吐量高
需要复杂累加操作	LongAccumulator	支持自定义累加函数