原子操作

主要就是CAS与锁

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一、CAS（无锁机制）

1. 核心思想

通过 硬件指令（如 CPU 的 cmpxchg） 实现原子操作，无需线程阻塞，直接在用户态完成竞争。

2. 特点

• 优点：

  • 无锁，高并发下吞吐量高。
  • 避免线程上下文切换和阻塞开销。

• 缺点：

  • ABA 问题：值从 A → B → A，CAS 无法感知中间变化（可通过 AtomicStampedReference 解决）。
  • 自旋开销：高竞争时 CAS 失败率高，CPU 空转。

3. 应用场景

• 简单原子操作（如计数器增减）。
• 低竞争环境（如线程交替修改共享变量）。
• Java 中的 AtomicXXX 类、LongAdder 等均基于 CAS。

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二、锁（Locking）

1. 核心思想

通过 互斥（Mutex） 强制代码块串行执行，保证原子性，依赖操作系统或 JVM 的线程调度。

2. 特点

• 优点：

  • 严格保证原子性，适合复杂操作（如先读后写）。
  • 解决 CAS 无法处理的复合操作问题。

• 缺点：

  • 线程阻塞和唤醒涉及内核态切换，性能开销大。
  • 可能导致死锁、优先级反转等问题。

3. 应用场景

• 高竞争环境（如多线程频繁争抢同一资源）。
• 复合操作（如银行转账：先扣减 A，再增加 B）。
• Java 中的 synchronized、ReentrantLock 均基于锁。

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三、CAS 与锁的对比

维度	CAS	锁
实现方式	硬件指令（用户态）	操作系统互斥量（内核态）
竞争处理	自旋重试	线程阻塞等待
适用场景	低竞争、简单操作	高竞争、复杂操作
性能开销	低（无阻塞）	高（上下文切换）
典型问题	ABA 问题	死锁、饥饿

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四、其他辅助机制

虽然 CAS 和锁是核心，但 Java 还提供了一些高级工具来优化原子操作：

0. volatile 关键字：

   • 保证可见性和有序性，但不保证原子性。
   • 通常与 CAS 结合使用（如 AtomicInteger 内部依赖 volatile 变量）。

1. LongAdder 分段锁：

   • 通过分散竞争（类似 ConcurrentHashMap 的分段锁）减少 CAS 冲突。
   • 高并发下性能优于 AtomicLong。

2. VarHandle（Java 9+） ：

   • 提供更灵活的内存操作 API（如原子字段更新），替代 Unsafe 类。

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五、如何选择？

0. 优先 CAS： 简单操作（如计数器）且竞争不激烈时，用 AtomicXXX 类。
1. 慎用锁： 复杂操作或高竞争时，用 synchronized 或 ReentrantLock。
2. 特定优化： 高并发统计场景用 LongAdder，复合操作考虑锁或 StampedLock。

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总结

Java 原子操作的底层本质确实是 CAS 和 锁，但两者并非对立关系：

• CAS 是乐观锁（假设无冲突，失败重试）。
• 锁是悲观锁（假设有冲突，直接互斥）。

实际开发中需根据场景权衡，甚至混合使用（如 ConcurrentHashMap 分段锁 + CAS）。