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1. 粘贴攻略
由于JVM的Synchronized重量级锁涉及操作系统（如Linux）内核态下互斥锁的使用，因此其线程阻塞和唤醒都涉及进程在用户态到内核态的频繁切换，导致重量级锁开销大、性能低。而JVM的Synchronized轻量级锁使用CAS（Compare AndSwap，比较并交换）进行自旋抢锁，CAS是CPU指令级的原子操作，并处于用户态下，所以JVM轻量级锁的开销较小。
1.1 什么是CAS
JDK 5所增加的JUC（java.util.concurrent）并发包对操作系统的底层CAS原子操作进行了封装，为上层Java程序提供了CAS操作的API。
1.1.1 Unsafe类中的CAS方法
Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全的底层操作，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等。Unsafe大量的方法都是native方法，基于C++语言实现，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。
由于使用Unsafe类可以像C语言一样使用指针操作内存空间，这无疑增加了指针相关问题、内存泄漏问题出现的概率。总之，在程序中过度使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得安全的语言Java变得不再安全，因此对Unsafe的使用一定要慎重。
操作系统层面的CAS是一条CPU的原子指令（cmpxchg指令），正是由于该指令具备原子性，因此使用CAS操作数据时不会造成数据不一致的问题，Unsafe提供的CAS方法直接通过native方式（封装C++代码）调用了底层的CPU指令cmpxchg。
完成Java应用层的CAS操作主要涉及Unsafe方法的调用，具体如下：
（1）获取Unsafe实例。
（2）调用Unsafe提供的CAS方法，这些方法主要封装了底层CPU的CAS原子操作。
（3）调用Unsafe提供的字段偏移量方法，这些方法用于获取对象中的字段（属性）偏移量，此偏移量值需要作为参数提供给CAS操作。
1.1.2 使用CAS进行无锁编程
CAS是一种无锁算法，该算法关键依赖两个值——期望值（旧值）和新值，底层CPU利用原子操作判断内存原值与期望值是否相等，如果相等就给内存地址赋新值，否则不做任何操作。
使用CAS进行无锁编程的步骤大致如下：
（1）获得字段的期望值（oldValue）。
（2）计算出需要替换的新值（newValue）。
（3）通过CAS将新值（newValue）放在字段的内存地址上，如果CAS失败就重复第（1）步到第（2）步，一直到CAS成功，这种重复俗称CAS自旋。
当CAS将内存地址的值与预期值进行比较时，如果相等，就证明内存地址的值没有被修改，可以替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，就说明内存地址的值已经被修改，放弃替换操作，然后重新自旋。当并发修改的线程少，冲突出现的机会少时，自旋的次数也会很少，CAS的性能会很高；当并发修改的线程多，冲突出现的机会多时，自旋的次数也会很多，CAS的性能会大大降低。所以，提升CAS无锁编程效率的关键在于减少冲突的机会。
1.1.3 使用无锁编程实现轻量级安全自增
1.1.4 字段偏移量的计算
1.2 JUC原子类
与synchronized同步机制相比，JDK原子类是基于CAS轻量级原子操作的实现，使得程序运行效率变得更高。
1.2.1 JUC中的Atomic原子操作包
Atomic操作翻译成中文是指一个不可中断的操作，即使在多个线程一起执行Atomic类型操作的时候，一个操作一旦开始，就不会被其他线程中断。所谓Atomic类，指的是具有原子操作特征的类。
根据操作的目标数据类型，可以将JUC包中的原子类分为4类：基本原子类、数组原子类、原子引用类和字段更新原子类。
（1）基本原子类基本原子类的功能是通过原子方式更新Java基础类型变量的值。基本原子类主要包括以下三个：
-
AtomicInteger：整型原子类。
-
AtomicLong：长整型原子类。
-
AtomicBoolean：布尔型原子类。
（2）数组原子类数组原子类的功能是通过原子方式更数组中的某个元素的值。数组原子类主要包括以下三个：
-
AtomicIntegerArray：整型数组原子类。
-
AtomicLongArray：长整型数组原子类。
-
AtomicReferenceArray：引用类型数组原子类。
（3）引用原子类引用原子类主要包括以下三个：
-
AtomicReference：引用类型原子类。
-
AtomicMarkableReference：带有更新标记位的原子引用类型。
-
AtomicStampedReference：带有更新版本号的原子引用类型。
AtomicMarkableReference类将boolean标记与引用关联起来，可以解决使用AtomicBoolean进行原子更新时可能出现的ABA问题。AtomicStampedReference类将整数值与引用关联起来，可以解决使用AtomicInteger进行原子更新时可能出现的ABA问题。
（4）字段更新原子类字段更新原子类主要包括以下三个：
- AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器。
- AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
- AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型中的字段。
1.2.2 基础原子类AtomicInteger
一个基础原子类的综合示例
在多线程环境下，如果涉及基本数据类型的并发操作，不建议采用synchronized重量级锁进行线程同步，而是建议优先使用基础原子类保障并发操作的线程安全性。
1.2.3 数组原子类AtomicIntegerArray
1.2.4 AtomicInteger线程安全原理
基础原子类主要通过CAS自旋+volatile的方案实现，既保障了变量操作的线程安全性，又避免了synchronized重量级锁的高开销，使得Java程序的执行效率大为提升。
CAS用于保障变量操作的原子性，volatile关键字用于保障变量的可见性，二者常常结合使用。
AtomicInteger的源码
AtomicInteger源码中的主要方法都是通过CAS自旋实现的。CAS自旋的主要操作为：如果一次CAS操作失败，获取最新的value值后，再次进行CAS操作，直到成功。
另外，AtomicInteger所包装的内部value成员是一个使用关键字volatile修饰的内部成员。关键字volatile的原理比较复杂，简单地说，该关键字可以保证任何线程在任何时刻总能拿到该变量的最新值，其目的在于保障变量值的线程可见性。
1.3 对象操作的原子性
基础的原子类型只能保证一个变量的原子操作，当需要对多个变量进行操作时，CAS无法保证原子性操作，这时可以用AtomicReference（原子引用类型）保证对象引用的原子性。
简单来说，如果需要同时保障对多个变量操作的原子性，就可以把多个变量放在一个对象中进行操作。与对象操作的原子性有关的原子类型，除了引用类型原子类之外，还包括属性更新原子类。
1.3.1 引用类型原子类
使用原子引用类型AtomicReference包装了实例对象之后，只能保障实例对象引用的原子操作，对被包装的实例对象的字段值修改时不能保证原子性。
1.3.2 属性更新原子类
如果需要保障对象某个字段（或者属性）更新操作的原子性，就需要用到属性更新原子类。
使用属性更新原子类保障属性安全更新的流程大致需要两步：·第一步，更新的对象属性必须使用public volatile修饰符。·第二步，因为对象的属性修改类型原子类都是抽象类，所以每次使用都必须调用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。
1.4 ABA问题
由于CAS原子操作性能高，因此其在JUC包中被广泛应用，只不过如果使用得不合理，CAS原子操作就会存在ABA问题。
1.4.1 了解ABA问题
什么是ABA问题？举一个例子来说明。比如一个线程A从内存位置M中取出V1，另一个线程B也取出V1。现在假设线程B进行了一些操作之后将M位置的数据V1变成了V2，然后又在一些操作之后将V2变成了V1。之后，线程A进行CAS操作，但是线程A发现M位置的数据仍然是V1，然后线程A操作成功。尽管线程A的CAS操作成功，但是不代表这个过程是没有问题的，线程A操作的数据V1可能已经不是之前的V1，而是被线程B替换过的V1，这就是ABA问题。
1.4.2 ABA问题解决方案
很多乐观锁的实现版本都是使用版本号（Version）方式来解决ABA问题。乐观锁每次在执行数据的修改操作时都会带上一个版本号，版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行加1操作，否则执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现ABA问题，因为版本号只会增加，不会减少。
1.4.3 使用AtomicStampedReference解决ABA问题
AtomicStampReference的compareAndSet()方法首先检查当前的对象引用值是否等于预期引用，并且当前印戳（Stamp）标志是否等于预期标志，如果全部相等，就以原子方式将引用值和印戳（Stamp）标志的值更新为给定的更新值。
1.4.4 使用AtomicMarkableReference解决ABA问题
AtomicMarkableReference是AtomicStampedReference的简化版，不关心修改过几次，只关心是否修改过。因此，其标记属性mark是boolean类型，而不是数字类型，标记属性mark仅记录值是否修改过。
AtomicMarkableReference适用于只要知道对象是否被修改过，而不适用于对象被反复修改的场景。
1.5 提升高并发场景下CAS操作的性能
在争用激烈的场景下，会导致大量的CAS空自旋。比如，在大量线程同时并发修改一个AtomicInteger时，可能有很多线程会不停地自旋，甚至有的线程会进入一个无限重复的循环中。
大量的CAS空自旋会浪费大量的CPU资源，大大降低了程序的性能。
1.5.1 以空间换时间：LongAdder
Java 8提供了一个新的类LongAdder，以空间换时间的方式提升高并发场景下CAS操作的性能。
LongAdder的核心思想是热点分离，与ConcurrentHashMap的设计思想类似：将value值分离成一个数组，当多线程访问时，通过Hash算法将线程映射到数组的一个元素进行操作；而获取最终的value结果时，则将数组的元素求和。最终，通过LongAdder将内部操作对象从单个value值“演变”成一系列的数组元素，从而减小了内部竞争的粒度。
1.5.2 LongAdder的原理
AtomicLong使用内部变量value保存着实际的long值，所有的操作都是针对该value变量进行的。也就是说，在高并发环境下，value变量其实是一个热点，也就是N个线程竞争一个热点。重试线程越多，就意味着CAS的失败概率更高，从而进入恶性CAS空自旋状态。
LongAdder的基本思路是分散热点，将value值分散到一个数组中，不同线程会命中到数组的不同槽（元素）中，各个线程只对自己槽中的那个值进行CAS操作。这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多。
使用LongAdder，即使线程数再多也不必担心，各个线程会分配到多个元素上去更新，增加元素个数，就可以降低value的“热度”，AtomicLong中的恶性CAS空自旋就解决了。
如果要获得完整的LongAdder存储的值，只要将各个槽中的变量值累加，返回最终累加之后的值即可。
LongAdder的实现思路与ConcurrentHashMap中分段锁的基本原理非常相似，本质上都是不同的线程在不同的单元上进行操作，这样减少了线程竞争，提高了并发效率。
LongAdder的设计体现了空间换时间的思想，不过在实际高并发场景下，数组元素所消耗的空间可以忽略不计。
1.LongAdder实例的内部结构
2.基类Striped64内部三个重要的成员
3.LongAdder类的add()方法
4.LongAdder类中的longAccumulate()方法
5.LongAdder类的casCellsBusy()方法
1.6 CAS在JDK中的广泛应用
1.6.1 CAS操作的弊端和规避措施
CAS操作的弊端主要有以下三点：
1.ABA问题
用CAS操作内存数据时，数据发生过变化也能更新成功，如操作序列A==>B==>A时，最后一个CAS的预期数据A实际已经发生过更改，但也能更新成功，这就产生了ABA问题。
ABA问题的解决思路是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候将版本号加1，那么操作序列A==>B==>A就会变成A1==>B2==>A3，如果将A1当作A3的预期数据，就会操作失败。
JDK提供了两个类AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference来解决ABA问题。比较常用的是AtomicStampedReference类，该类的compareAndSet()方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，以及当前印戳是否等于预期印戳，如果全部相等，就以原子方式将引用和印戳的值一同设置为新的值。
2.只能保证一个共享变量之间的原子性操作
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，CAS就无法保证操作的原子性。
一个比较简单的规避方法为：把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。
JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个AtomicReference实例后再进行CAS操作。比如有两个共享变量i＝1、j=2，可以将二者合并成一个对象，然后用CAS来操作该合并对象的AtomicReference引用。
3.开销问题
自旋CAS如果长时间不成功（不成功就一直循环执行，直到成功），就会给CPU带来非常大的执行开销。
解决CAS恶性空自旋的有效方式之一是以空间换时间，较为常见的方案为：
（1）分散操作热点，使用LongAdder替代基础原子类AtomicLong，LongAdder将单个CAS热点（value值）分散到一个cells数组中。
（2）使用队列削峰，将发生CAS争用的线程加入一个队列中排队，降低CAS争用的激烈程度。JUC中非常重要的基础类AQS（抽象队列同步器）就是这么做的。
1.6.2 CAS操作在JDK中的应用
CAS在java.util.concurrent.atomic包中的原子类、Java AQS以及显式锁、CurrentHashMap等重要并发容器类的实现都有非常广泛的应用。
在java.util.concurrent.atomic包的原子类（如AtomicXXX）中都使用了CAS来保障对数字成员进行操作的原子性。
java.util.concurrent的大多数类（包括显式锁、并发容器）都是基于AQS和AtomicXXX来实现的，其中AQS通过CAS保障它内部双向队列头部、尾部操作的原子性。
