如何利用 CAS 实现原子操作：深入浅出原子类与线程安全

在并发编程中，确保线程安全是一个重要话题。为了避免多个线程对同一数据进行竞争访问，Java 提供了原子类（Atomic Classes）来保证并发场景下的线程安全，而原子类最核心的实现机制就是 CAS（Compare And Swap） 操作。本文将详细解析原子类如何利用 CAS 实现线程安全，并且带你走进底层实现。

一、原子类与锁的比较

原子类和锁在并发编程中有着相似的作用：它们都能保证多个线程之间访问共享资源时的线程安全。然而，原子类相比锁有明显的优势：

粒度更细：原子类的粒度通常是变量级别的，而锁的粒度一般较大，可能会锁住多个变量，甚至整个方法或代码块。
效率更高：原子类的效率通常高于锁机制，尤其是在低竞争场景下。因为原子类操作通过 CAS 完成，不需要阻塞线程，避免了上下文切换的开销。

二、Java中的六类原子类

Java 提供了多种原子类，常见的有以下几类：

Atomic 基本类型原子类*
- AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
Atomic*Array 数组类型原子类
- AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
Atomic*Reference 引用类型原子类
- AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference
Atomic*FieldUpdater 升级类型原子类
- AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater
Adder 累加器
- LongAdder、DoubleAdder
Accumulator 积累器
- LongAccumulator、DoubleAccumulator

三、AtomicInteger: 最典型的基本类型原子类

我们以 AtomicInteger 为例来解释原子类的使用。AtomicInteger 是 int 类型的封装，能够在并发场景下安全地对 int 类型的变量进行原子性操作。

AtomicInteger 常用方法

get()：获取当前值。
getAndSet(int newValue)：获取当前值并设置新的值。
getAndIncrement()：获取当前值并自增。
getAndDecrement()：获取当前值并自减。
getAndAdd(int delta)：获取当前值并加上指定值。
compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则以原子方式更新为新值。

四、如何利用 CAS 实现原子操作？

CAS（Compare And Swap）是原子操作的基础，它通过比较并交换的方式保证线程安全。我们以 AtomicInteger 中的 getAndAdd(int delta) 方法为例来说明 CAS 的底层实现。

getAndAdd 方法实现

public final int getAndAdd(int delta) {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

该方法通过调用 Unsafe.getAndAddInt() 实现原子操作，使用 Unsafe 类来操作内存数据。Unsafe 是 Java 提供的一个类，能够直接操作内存，因此它是 CAS 操作的核心。

Unsafe 类与内存操作

Unsafe 类通过本地方法（native methods）提供了底层硬件级别的原子操作，使得 Java 可以通过 unsafe 实现高效的原子操作，而无需使用锁。我们来详细看看 AtomicInteger 如何使用 Unsafe 类来进行 CAS 操作。

public class AtomicInteger {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 get() {return value;}// 其他方法...
}

AtomicInteger 的 value 变量是 volatile 修饰的，确保线程可见性。valueOffset 是通过 unsafe.objectFieldOffset() 方法获取的 value 字段的内存偏移量，它代表 value 在内存中的位置。

getAndAddInt 方法的实现

getAndAddInt 方法通过循环加上 CAS 来实现原子更新：

public final int getAndAddInt(Object object, long valueOffset, int delta) {int expectedValue;do {expectedValue = this.getIntVolatile(object, valueOffset);} while (!this.compareAndSwapInt(object, valueOffset, expectedValue, expectedValue + delta));return expectedValue;
}