（java.util.concurrent.atomic 包）提供了一种无锁、线程安全的方式来操作共享变量，底层基于 CAS（Compare and Swap） 机制实现。它们适用于高并发场景下的简单原子操作，避免了传统锁机制的性能开销。主要作用如下：
- 线程安全：保证对变量的操作在多线程环境下是原子的。
- 高性能：通过 CAS 无锁机制减少线程阻塞和上下文切换。
- 简化代码：避免显式使用
synchronized或Lock。
一、基本类型原子类
1. AtomicBoolean
• 特性：原子更新布尔值。 • 实现原理：内部通过volatile int value存储状态（0表示false，1表示true），使用Unsafe类的CAS操作保证原子性。 • 核心方法：
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update);
2. AtomicInteger
• 特性：原子更新整型值。 • 实现原理：内部维护volatile int value，通过Unsafe的CAS操作（如getAndAddInt）实现原子增减。 • 典型方法：
public final int incrementAndGet(); // 原子自增
public final int getAndAdd(int delta); // 原子加delta
3. AtomicLong
• 特性：原子更新长整型值。 • 实现原理：与AtomicInteger类似，使用volatile long value和Unsafe的CAS操作。 • 适用场景：高并发计数器（如统计请求次数）。
二、引用类型原子类
4. AtomicReference
• 特性：原子更新对象引用。 • 实现原理：通过volatile V value和Unsafe的compareAndSwapObject实现引用替换。 • 示例：
AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("initial");
ref.compareAndSet("initial", "updated"); // 原子更新引用
5. AtomicStampedReference
• 特性：原子更新引用，并解决ABA问题（通过版本戳）。 • 实现原理：维护一个Pair对象，包含引用和int类型的版本戳。
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp);
6. AtomicMarkableReference
• 特性：通过布尔标记解决ABA问题（无需版本号）。 • 实现原理：维护一个Pair对象，包含引用和boolean标记。
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark);
三、数组类型原子类
7. AtomicIntegerArray
• 特性：原子更新整型数组中的元素。 • 实现原理：内部维护int[] array，通过Unsafe的getAndAddInt操作原子更新指定索引的值。
public final int getAndAdd(int i, int delta);
8. AtomicLongArray
• 特性：原子更新长整型数组中的元素。 • 实现原理：与AtomicIntegerArray类似，针对long类型。
9. AtomicReferenceArray
• 特性：原子更新对象引用数组中的元素。 • 实现原理：通过Unsafe的compareAndSwapObject实现数组元素的原子替换。
四、字段更新器
10. AtomicIntegerFieldUpdater
• 特性：原子更新对象的volatile int字段。 • 实现原理：通过反射获取字段的偏移量，使用Unsafe的CAS操作。 • 示例：
public class Counter {
private volatile int count;
}
AtomicIntegerFieldUpdater<Counter> updater =
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Counter.class, "count");
updater.getAndIncrement(counter); // 原子递增
11. AtomicLongFieldUpdater
• 特性：原子更新对象的volatile long字段。 • 实现原理：类似AtomicIntegerFieldUpdater，针对long类型。
12. AtomicReferenceFieldUpdater
• 特性：原子更新对象的volatile引用字段。 • 实现原理：通过反射和Unsafe的CAS操作替换引用。
AtomicReferenceFieldUpdater<User, String> updater =
AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class, String.class, "name");
五、高性能累加器
13. LongAdder / DoubleAdder
• 特性：高并发下比AtomicLong更高的吞吐量，适用于频繁更新但较少读取的场景。 • 实现原理：采用分段累加（Cell数组），减少线程竞争。
LongAdder adder = new LongAdder();
adder.add(1); // 分段累加
long sum = adder.sum(); // 合并所有分段的值
14. LongAccumulator / DoubleAccumulator
• 特性：支持自定义累加函数（如最大值、最小值）。 • 实现原理：类似LongAdder，但允许指定累加规则。
LongAccumulator maxAccumulator = new LongAccumulator(Long::max, 0);
maxAccumulator.accumulate(10); // 更新当前最大值
六、实现原理的核心技术
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CAS（Compare-And-Swap） • 通过
Unsafe类提供的底层CAS方法（如compareAndSwapInt）实现无锁更新。 • 示例：AtomicInteger的自增操作：public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); } -
Volatile变量 • 所有原子类的值均通过
volatile修饰，保证可见性。 • 如AtomicInteger中的private volatile int value。 -
分段累加（LongAdder） • 将单个变量拆分为多个Cell，线程竞争时分散到不同Cell。 • 最终结果通过合并所有Cell的值获得。
七、ABA 问题及解决方案
1. ABA 问题
- 现象：变量从
A改为B后又改回A，CAS 无法感知中间变化。 - 风险：可能导致数据一致性问题（如链表节点的中途修改）。
2. 解决方案
AtomicStampedReference：通过版本号（int stamp）标记状态。AtomicMarkableReference：通过布尔标记（boolean mark）简化版本控制。
示例：
java
复制
AtomicStampedReference<String> stampedRef =
new AtomicStampedReference<>("A", 1);
int oldStamp = stampedRef.getStamp();
stampedRef.compareAndSet("A", "B", oldStamp, oldStamp + 1); // 更新值和版本号
八、适用场景对比
| 原子类 | 适用场景 |
|---|---|
| AtomicInteger/Long | 低竞争环境下的计数器（如简单统计）。 |
| LongAdder | 高并发写入、低频读取（如QPS统计）。 |
| AtomicReference | 原子更新对象引用（如单例模式的双重检查锁）。 |
| AtomicStampedReference | 需解决ABA问题的场景（如无锁栈/队列）。 |
| AtomicIntegerArray | 原子更新数组元素（如并行计算中的分片统计）。 |
九、总结
Java的原子类通过CAS和volatile变量实现无锁线程安全，适用于计数器、状态标志、对象引用更新等场景。针对不同需求，选择合适类型的原子类： • 基本类型：AtomicInteger、AtomicLong。 • 引用类型：AtomicReference、AtomicStampedReference。 • 高并发累加：LongAdder、LongAccumulator。 • 字段更新：AtomicIntegerFieldUpdater。
理解其底层实现（如CAS、分段累加）有助于优化高并发程序的性能和可靠性。
