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在Java中CAS机制是如何工作的_Java无锁并发底层原理解析

P粉602998670

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发布时间:2026-01-27 11:30:01

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来源于php中文网

原创

CAS通过CPU硬件指令(如x86的CMPXCHG)在一个不可中断周期内原子执行“读值→比较→写值”,依赖volatile保证可见性,无需锁和上下文切换。

在java中cas机制是如何工作的_java无锁并发底层原理解析

CAS 是怎么做到“比较+交换”一步到位的

CAS 不是 Java 语言层面的语法或关键字,而是由 CPU 硬件指令(如 x86 上的 CMPXCHG)直接支持的原子操作。JVM 通过 Unsafe 类暴露了 compareAndSwapIntcompareAndSwapObject 等 native 方法,这些方法最终调用操作系统底层的汇编指令,在一个不可中断的 CPU 周期内完成「读内存值 → 比较 → 写新值」三步——中间不会被线程调度打断。

关键点在于:它依赖 volatile 变量语义保证可见性(每次读都是从主内存取),再靠硬件指令保证原子性。没有锁、没有阻塞、也没有上下文切换开销。

  • 不是 Java 字节码实现的,无法在纯 Java 层模拟;必须走 Unsafe + JNI + 底层汇编链路
  • 所有 AtomicIntegerAtomicReference 等原子类的 incrementAndGet()compareAndSet() 都基于这套机制
  • 如果你看到 getAndAddInt 方法里那个经典的 do-while 循环,那正是 CAS 失败后自旋重试的体现

为什么 AtomicInteger.addAndGet() 不会丢数据

因为它的底层逻辑本质上是「乐观重试」:先读当前值 oldValue,算出 newValue = oldValue + delta,再用 CAS 尝试把内存位置的值从 oldValue 改成 newValue。只要期间有别的线程抢先改了这个值,CAS 就失败,循环重新读、再算、再试。

public final int addAndGet(int delta) {
    int var1;
    do {
        var1 = this.getIntVolatile(valueOffset);
    } while(!this.compareAndSwapInt(valueOffset, var1, var1 + delta));
    return var1 + delta;
}
  • 如果两个线程同时执行 addAndGet(1),初始值为 0,一个成功把 0→1,另一个读到的是 1 而非 0,CAS 失败后继续重试,最终结果仍是 2
  • 这不是“避免竞争”,而是“接受竞争并靠重试解决”——所以高并发下可能自旋很久,吃 CPU
  • volatile 保证每次 getIntVolatile() 都能拿到最新值;否则可能一直读到过期副本,导致无限重试

ABA 问题不是理论陷阱,是真实会崩业务的 Bug

假设一个线程读到值 A,准备 CAS 成 B;但此时另一个线程把 A→B→A 改了两轮。原线程的 CAS 仍会成功,因为它只比数值,不比“有没有被动过”。这在引用类型中尤其危险——比如顶节点被弹出又压入同一个对象,表面值没变,实际已不是同一个逻辑状态。

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  • 典型场景:AtomicReference 管理对象引用时,若对象被复用(如对象池),极易触发 ABA
  • Java 提供了 AtomicStampedReferenceAtomicMarkableReference 来带版本号/标记位做双重校验
  • 别指望靠加日志或 sleep 规避——ABA 是竞态本质,只能靠带版本的 CAS 或换用锁

别在循环体外手动写 CAS 自旋,除非你真懂代价

很多人看到 CAS 原理后,会手写类似 while (!ref.compareAndSet(old, new)) { old = ref.get(); } 的代码。这看似简洁,但容易忽略几个硬伤:

  • 没有退避策略:CPU 空转自旋在高争用下会打满核心,而 AtomicInteger 等类内部其实做了轻量级 pause 优化(x86 上是 PAUSE 指令)
  • 没考虑线程优先级反转风险:低优先级线程长时间占着 CPU 自旋,高优先级线程反而卡住
  • 多数业务场景根本不需要裸 CAS——ConcurrentHashMapLongAdderStampedLock 已经封装了更稳的模式

真正该自己上 CAS 的情况极少:比如写高性能 RingBuffer、无锁队列,或定制化状态机。其余时候,优先用标准库提供的原子类或并发容器。

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