Java原子类:CAS与volatile的无锁奥秘

Java中的原子类位于java.util.concurrent.atomic包下,根据功能可分为四类,其核心原理均基于 volatile变量保证内存可见性CAS(Compare-and-Swap)操作保证原子性


⚛️ 一、基本类型原子类

  1. AtomicBoolean
    • 原理 :内部用volatile int value存储状态(0=false,1=true),通过Unsafe的compareAndSwapInt实现原子更新。
  2. AtomicInteger
    • 原理 :通过volatile int value存储值,使用Unsafe的getAndAddInt等CAS操作实现原子增减(如incrementAndGet())。
  3. AtomicLong
    • 原理 :类似AtomicInteger,使用volatile long value和CAS操作;64位系统需处理64位对齐问题。

🔢 二、数组类型原子类

  1. AtomicIntegerArray
    • 原理 :内部维护final int[] array,计算元素偏移地址后通过Unsafe的CAS操作数组元素。
  2. AtomicLongArray
    • 原理 :类似AtomicIntegerArray,支持long数组的原子操作。
  3. AtomicReferenceArray
    • 原理 :通过偏移地址和compareAndSwapObject实现引用类型数组元素的原子替换。

🔗 三、引用类型原子类

  1. AtomicReference<V>
    • 原理 :通过volatile V value存储引用,Unsafe的compareAndSwapObject实现引用的原子替换。
  2. AtomicStampedReference<V>
    • 原理 :在引用基础上增加int stamp(版本戳),解决CAS的ABA问题(同时检查引用和版本戳)。
  3. AtomicMarkableReference<V>
    • 原理 :用布尔标记(boolean mark)替代版本戳,简化ABA问题处理。

🛠️ 四、字段更新器

  1. AtomicIntegerFieldUpdater<T>
    • 原理 :通过反射更新目标类的volatile int字段,底层使用CAS保证原子性。
  2. AtomicLongFieldUpdater<T>
    • 原理 :类似上述,支持long字段。
  3. AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>
    • 原理:支持引用类型字段的原子更新,依赖反射和CAS。

🔬 原理共性总结

  1. 内存可见性 :所有原子类内部使用volatile修饰变量,确保多线程下读取最新值。
  2. 原子性保障 :依赖Unsafe类的CAS操作(如compareAndSwapInt),自旋重试直到更新成功。
  3. 无锁优化 :相比synchronized,CAS避免线程阻塞,提升高并发性能。

⚠️ 注意:原子类仅适用于单个变量的简单操作(如增减、替换)。复杂逻辑仍需锁或其他同步机制。

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