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在Java里CAS机制是如何实现的_Java无锁并发解析

P粉602998670

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发布时间:2026-01-28 14:07:02

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来源于php中文网

原创

CAS是JVM通过Unsafe调用CPU硬件指令(如x86的CMPXCHG)实现的原子操作,依赖volatile保证可见性、硬件指令保证原子性;AtomicInteger.incrementAndGet()采用乐观自旋重试,高并发下可能大量失败;ABA问题需AtomicStampedReference解决;CAS仅保障单变量原子性,不可替代多字段/复合操作的锁机制。

在java里cas机制是如何实现的_java无锁并发解析

Java里CAS靠Unsafe类和CPU指令硬实现

CAS不是Java语言层面的语法糖,而是由JVM借助Unsafe类调用操作系统底层指令完成的原子操作。你在AtomicInteger里看到的compareAndSet(),最终都会落到Unsafe.compareAndSwapInt()这个native方法上;而它背后,在x86架构下实际执行的是CMPXCHG汇编指令——这条指令由CPU硬件保证“读-比-写”三步不可分割,不会被线程调度打断。

关键点在于:volatile字段提供可见性(让每次读都是最新值),Unsafe提供原子性(靠硬件指令锁总线或缓存行),两者缺一不可。如果你自己用普通int变量+手动if判断再赋值,那就是典型的非原子check-and-set,完全不安全。

为什么AtomicInteger.incrementAndGet()要自旋重试

因为CAS失败后不阻塞,只返回false,上层逻辑必须主动重试。看incrementAndGet()源码里的do-while循环:

public final int incrementAndGet() {
    int prev, next;
    do {
        prev = get();           // 读当前值
        next = prev + 1;        // 算新值
    } while (!compareAndSet(prev, next)); // 失败就重来
    return next;
}

这种“乐观重试”在低竞争时极快,但高并发下可能反复失败几十次——比如100个线程同时对同一个AtomicInteger做++,大概率前99次都白读、白算、白CAS,纯耗CPU。这不是bug,是设计取舍:用CPU空转换掉锁带来的上下文切换开销。

立即学习Java免费学习笔记(深入)”;

  • 别在循环体里加日志或sleep,会放大问题
  • 如果业务逻辑本身较重(比如要查DB再更新),CAS就不适合,该用ReentrantLock或数据库行锁

ABA问题不是理论陷阱,真实转账场景会出错

假设账户余额从100 → 被A线程扣50(预期100→50)→ 又被B线程充30(100→130)→ 再被C线程扣80(130→50)。此时A线程的CAS仍会成功:它只看到“当前值还是100”,却不知道中间经历过130。结果是两次扣款叠加,余额错乱。

Java提供了AtomicStampedReference来解决,它把版本号(stamp)和值打包成一对,CAS时同时校验二者:

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AtomicStampedReference ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);
int[] stamp = {0};
Integer cur = ref.get(stamp); // 同时取出值和版本号
ref.compareAndSet(cur, 50, stamp[0], stamp[0] + 1); // 值和版本号必须都匹配

注意:版本号不能简单用int自增,得确保每次修改都唯一;否则多线程下stamp也可能ABA。生产环境建议用LongAtomicInteger管理stamp。

别把CAS当万能锁,它只保单变量原子性

CAS只能保证一个内存地址上的读-改-写原子,无法跨字段、跨对象协调。比如你要实现“扣款+记日志”原子化,AtomicIntegerAtomicReference各自独立,CAS成功一个不代表另一个也成功。

常见误用:

  • 用多个Atomic*模拟复合状态(如status+timestamp),结果状态不一致
  • 以为AtomicReference能替代synchronized锁整个方法块
  • 在CAS循环里调用非幂等方法(如发MQ消息),重试导致重复投递

真正需要多字段/多步骤原子性时,要么用锁,要么用STM(软件事务内存)类库,或者直接交给数据库事务处理——CAS的边界,就是单个volatile字段的原子更新。

记住:CAS不是“更高级的锁”,它是另一种并发模型。用对场景才叫无锁,用错地方就是埋雷。

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