CAS 和原子类

CAS 是 Java 并发包中大量无锁算法的基础。AtomicInteger、ConcurrentHashMap、AQS、LongAdder 等都大量依赖 CAS。

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1. CAS 是什么

CAS 全称是 Compare-And-Swap，也叫 Compare-And-Set。

它包含三个操作数：

内存位置 V
预期值 A
新值 B

只有当内存位置 V 的当前值等于预期值 A 时，才会把它更新为 B；否则更新失败。

伪代码：

boolean cas(V, A, B) {
    if (V == A) {
        V = B;
        return true;
    }
    return false;
}

真实 CAS 是 CPU 原子指令支持的，不会被线程切换打断。

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2. CAS 为什么能实现无锁并发

传统加锁思路：

加锁 -> 修改共享变量 -> 解锁

CAS 思路：

读取旧值 -> 计算新值 -> CAS 尝试更新 -> 失败则重试

例如 AtomicInteger.incrementAndGet() 可以简化理解为：

for (;;) {
    int oldValue = get();
    int newValue = oldValue + 1;
    if (compareAndSet(oldValue, newValue)) {
        return newValue;
    }
}

竞争不激烈时，CAS 避免了线程阻塞和唤醒，性能通常很好。

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3. CAS 的问题

3.1 ABA 问题

线程 1 读取到值 A，准备 CAS 更新。

期间线程 2 把值从 A 改成 B，又从 B 改回 A。

线程 1 再 CAS 时发现还是 A，会误以为值没有被修改过。

解决方式：

• 增加版本号。
• 使用 AtomicStampedReference。
• 使用 AtomicMarkableReference。

3.2 自旋开销

CAS 失败后通常会自旋重试。竞争激烈时，大量线程反复 CAS 会消耗 CPU。

3.3 只能保证单变量原子更新

普通 CAS 只能保证一个变量的原子更新。多个变量之间的一致性需要额外设计，例如封装成一个对象引用后用 AtomicReference 更新。

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4. Atomic 原子类

常见原子类：

类型	示例
基本类型	AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
引用类型	AtomicReference
带版本引用	AtomicStampedReference
数组类型	AtomicIntegerArray、AtomicReferenceArray
字段更新器	AtomicIntegerFieldUpdater
高并发累加	LongAdder、LongAccumulator

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5. AtomicLong 和 LongAdder

AtomicLong 在高并发累加时，所有线程都竞争同一个变量：

多个线程 -> 同一个 value CAS

竞争越激烈，CAS 失败越多。

LongAdder 的思路是分散热点：

base + Cell[0] + Cell[1] + ... + Cell[n]

低竞争时更新 base，高竞争时把计数分散到不同 Cell，最后求和。

对比：

场景	推荐
需要精确即时值	AtomicLong
高并发计数、统计指标	LongAdder
写多读少	LongAdder
强一致读	AtomicLong

LongAdder.sum() 不是强一致快照，因为求和过程中其他线程仍可能更新。

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6. Unsafe 和 VarHandle

早期原子类底层主要依赖 Unsafe 提供 CAS 能力。

Java 9 之后提供了 VarHandle，可以用更标准的方式操作变量句柄，并支持不同内存语义的读写和 CAS。

日常开发一般不需要直接写 Unsafe 代码，但理解原子类时要知道：

• CAS 最终依赖底层 CPU 原子指令。
• Java 原子类对这些能力做了封装。
• 直接使用 Unsafe 风险较高，业务代码通常不推荐。

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7. CAS 和 synchronized 怎么选

对比点	CAS	synchronized
阻塞	不阻塞，失败自旋	竞争失败会阻塞
适合场景	竞争较低、操作短小	临界区复杂、竞争较高
CPU 消耗	高竞争下可能很高	阻塞后 CPU 消耗较低
编程复杂度	容易出现 ABA、自旋问题	语义清晰

不是所有场景都适合无锁。临界区逻辑复杂或竞争非常激烈时，锁反而更稳定。

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8. 理解检查

CAS 为什么是原子的？

因为 CAS 由底层 CPU 原子指令支持，比较和更新是不可分割的。

CAS 一定比锁快吗？

不一定。低竞争下 CAS 通常更快；高竞争下大量自旋失败会浪费 CPU，锁可能更合适。

ABA 怎么解决？

给值加版本号，例如使用 AtomicStampedReference。

LongAdder 为什么快？

它把单点 CAS 竞争分散到多个 Cell 上，降低热点竞争。

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9. 总结

CAS 的核心是“乐观尝试”：认为没有冲突，更新失败再重试。它适合短小、低冲突的原子更新。高并发计数场景可以用 LongAdder 分散竞争，但如果需要强一致即时值，仍然要谨慎选择。