第22讲 | AtomicInteger底层实现原理是什么？如何在自己的产品代码中应用CAS操作？

杨晓峰

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该思维导图由 AI 生成，仅供参考

在今天这一讲中，我来分析一下并发包内部的组成，一起来看看各种同步结构、线程池等，是基于什么原理来设计和实现的。
今天我要问你的问题是，AtomicInteger 底层实现原理是什么？如何在自己的产品代码中应用 CAS 操作？
典型回答AtomicIntger 是对 int 类型的一个封装，提供原子性的访问和更新操作，其原子性操作的实现是基于 CAS（compare-and-swap）技术。
所谓 CAS，表征的是一系列操作的集合，获取当前数值，进行一些运算，利用 CAS 指令试图进行更新。如果当前数值未变，代表没有其他线程进行并发修改，则成功更新。否则，可能出现不同的选择，要么进行重试，要么就返回一个成功或者失败的结果。
从 AtomicInteger 的内部属性可以看出，它依赖于 Unsafe 提供的一些底层能力，进行底层操作；以 volatile 的 value 字段，记录数值，以保证可见性。
private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");
private volatile int value;
具体的原子操作细节，可以参考任意一个原子更新方法，比如下面的 getAndIncrement。
Unsafe 会利用 value 字段的内存地址偏移，直接完成操作。
public final int getAndIncrement() {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}
因为 getAndIncrement 需要返归数值，所以需要添加失败重试逻辑。

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总结

Java并发编程底层原理与技术本文深入探讨了Java并发编程的底层原理和相关技术，重点介绍了AtomicInteger的底层实现原理基于CAS技术。CAS是一种无锁机制，通过一系列操作来实现原子性操作，包括获取当前数值、进行运算和利用CAS指令尝试更新。此外，文章还介绍了CAS的使用场景和实现方式，以及对Variable Handle API和AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的简要介绍。Variable Handle API提供了精细粒度的公共底层API，而AQS作为Java并发包中实现各种同步结构和部分其他组成单元的基础，为构建同步结构提供了范本。通过对ReentrantLock的实现，文章展示了AQS的内部数据和方法，以及如何利用AQS实现一个同步结构。总的来说，本文对于想深入了解并发编程的读者具有一定的参考价值，能够帮助读者快速了解Java并发编程的底层原理和相关技术。本文深入探讨了Java并发编程的底层原理和相关技术，重点介绍了AtomicInteger的底层实现原理基于CAS技术。CAS是一种无锁机制，通过一系列操作来实现原子性操作，包括获取当前数值、进行运算和利用CAS指令尝试更新。此外，文章还介绍了CAS的使用场景和实现方式，以及对Variable Handle API和AbstractQueuedSynchronizer（AQS）的简要介绍。Variable Handle API提供了精细粒度的公共底层API，而AQS作为Java并发包中实现各种同步结构和部分其他组成单元的基础，为构建同步结构提供了范本。通过对ReentrantLock的实现，文章展示了AQS的内部数据和方法，以及如何利用AQS实现一个同步结构。总的来说，本文对于想深入了解并发编程的读者具有一定的参考价值，能够帮助读者快速了解Java并发编程的底层原理和相关技术。

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I.am DZX
CANCELLED 1 因为超时或中断设置为此状态，标志节点不可用 SIGNAL -1 处于此状态的节点释放资源时会唤醒后面的节点 CONDITION -2 处于条件队列里，等待条件成立(signal signalall) 条件成立后会置入获取资源的队列里 PROPAGATE -3 共享模式下使用，头节点获取资源时将后面节点设置为此状态，如果头节点获取资源后还有足够的资源，则后面节点会尝试获取，这个状态主要是为了共享状态下队列里足够多的节点同时获取资源 0 初始状态
作者回复: 好
2018-06-26

33
Cui
老师，看了AQS的实现原理后，我再回顾了您之前关于synchronized的文章，心中有些疑问： 1、synchronized在JVM中是会进行锁升级和降级的，并且是基于CAS来掌握竞争的情况，在竞争不多的情况下利用CAS的轻量级操作来减少开销。 2、而AQS也是基于CAS操作队列的，位于队列头的节点优先获得锁，其他的节点会被LockSupport.park()起来（这个好像依赖的是操作系统的互斥锁，应该也是个重量级操作）。我觉得这两种方式都是基于CAS操作的，只是操作的对象不同（一个是Mark Word，一个是队列节点），当竞争较多时，还是不可避免地会使用到操作系统的互斥锁。然而，我再测试这两者的性能时，在无竞争的情况下，两者性能相当，但是，当竞争起来后，AQS的性能明显比synchronized要好（测试案例是8个线程并发对一个int递增，每个线程递增1000万次，AQS的耗时大概要少30%），这是为什么呢？
作者回复: Locksupport的实现据说速度快，我也没具体对比过；不过jdk9里，monitor相关操作也加快了，可以看看jep143
2018-06-26
6
20
三口先生
大于0取消状态，小于0有效状态，表示等待状态四种cancelled，signal，condition，propagate
作者回复: 不错
2018-06-26

17
卡斯瓦德
老师请教个问题，acquireQueued的源代码中，使用for（；；）做了个自旋锁吧，作者为什么不用while（true），这种方式呢，是因为开销不一样吗？
作者回复: 也许，这个我不知道具体原因，看上去while会比for多一个变量
2018-07-05
2
5
TonyEasy
老师，说实话这一期的对我来说有点难度了，钦佩老师对知识理解的深入，请问老师可以指点下java学习的路线图吗，或者您分享下您自己的学习路线。
作者回复: 大家基础不一样，以后被问到不生疏也好；关于路线，不知道你的兴趣和规划是什么，通常来说Java只是技能树中的一项，项目经验，领域知识，综合起来才能要到高价
2018-06-26

3
antipas
看AQS源码过程中产生了新问题，它对线程的挂起唤醒是通过locksupport实现的，那么它与wait/notify又有何不同，使用场景有何不同。我的理解是使用 wait/notify需要synchronized锁，而且wait需要条件触发
作者回复: 这是两种方式，wait基于monitor；一般用并发库就不用Object.wait、notify之类了
2018-06-26
2
2
ylw666
LongAdder这里，说要考虑紧凑性的影响，不清楚指的是哪方面的考虑
作者回复: 紧凑就是说内存使用效率，有些高性能应用会对此提出苛刻要求
2019-01-26


xuanyuan
建议； 1. 希望能有推外内存的主题，范型部分希望能与cpp比较讲解。 2. 一些主题如果已经有公开的比较好的资料，可以提供链接，对重点强调即可。希望能看到更多公开资料所没有的信息，这也是老鸟们付费的初衷。同意的点赞
2018-06-26
5
152
ipofss
这一讲对于我来说，挺有难度的，还是基础比较薄弱，整体上没太听懂。老师对于Java的理解真是太深入了，等我以后技术精进了，再回来看看老师的36讲，应该会有新的认识。继续往下听吧，已经懂点的加深理解，没听过的就当是听了名字以后用到了再仔细研究
2018-08-07
4
38
OneThin
能否出一节讲一下unsafe，感觉这个才是最基础的。另外unsafe为什么叫unsafe呢
2018-07-16
3
16

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