Java并发CAS机制原理解析

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CAS是CPU指令级原子操作，通过cmpxchg等硬件指令实现“读-比-写”三步不可分割；它非Java语法，由Unsafe封装调用，存在ABA问题、循环开销大、不支持多变量复合操作等局限。

CAS 是什么：不是锁，是 CPU 指令级别的原子操作

CAS（Compare-And-Swap）不是 Java 语言层的语法或类，而是 Unsafe.compareAndSwapInt 这类方法背后调用的 CPU 原语（如 x86 的 cmpxchg）。它通过一条硬件指令完成「读取内存值 → 比较是否等于预期值 → 若是则写入新值」三步的原子性，中间不会被线程调度打断。

Java 中所有基于 CAS 的并发工具（如 AtomicInteger、ConcurrentHashMap 的插入逻辑）都依赖 Unsafe 类封装的这些底层调用。你无法直接 new Unsafe，JDK 8 后它被限制为内部使用，但 AtomicInteger.incrementAndGet() 等方法就是它的典型封装。

为什么 CAS 会失败：ABA 问题和循环开销真实存在

CAS 失败不只因为“别人改了”，更常见的是 ABA 问题：某变量从 A → B → A，CAS 发现仍是 A 就误认为没被修改过。这在引用类型中尤其危险——比如一个栈顶节点被弹出又压入同地址对象，AtomicReference 的 CAS 可能成功，但逻辑已错乱。

• 解决 ABA：用 AtomicStampedReference，它把版本号（stamp）和引用一起打包比较
• 循环重试成本：getAndIncrement() 在高争用下可能反复失败，CPU 白跑多个 cycle，比锁还耗资源
• 不能替代复合操作：CAS 只保证单变量原子，i++ 和 j++ 两个变量无法用一次 CAS 完成

Unsafe 是怎么被调用的：JDK 源码里藏着关键跳转

AtomicInteger.getAndIncrement() 最终走到 Unsafe.getAndAddInt(Object, long, int)，而这个方法在 HotSpot VM 中是 native 实现。你可以从 OpenJDK 源码看到：Unsafe::compareAndSwapInt 对应 C++ 层的 Unsafe_CompareAndSwapInt，再调用平台相关汇编。

注意两点：

• JDK 9+ 引入了 VarHandle，它是 Unsafe 的安全替代，但底层仍走相同 CPU 指令
• 不是所有 JVM 都支持 CAS：某些嵌入式或老版本 JVM 可能降级为锁实现（见 VM.supportsAtomicIntOperations()）
• 字段偏移量（valueOffset）由 Unsafe.objectFieldOffset() 计算，依赖 JVM 内存布局，不能硬编码

CAS 不是银弹：什么时候该避开它

过度依赖 CAS 容易掉进「伪无锁」陷阱。比如 ConcurrentLinkedQueue 虽用 CAS 更新 head/tail，但每次入队都要遍历到 tail，高并发下链表遍历本身就成了瓶颈；又比如 LongAdder 用分段 CAS + base 字段，本质是用空间换低争用，而不是单纯“不用锁”。

真正要警惕的是：

• 频繁 CAS 失败时，线程不会阻塞，但 CPU 使用率飙升，监控上表现为 os.cpuUsage 高而吞吐没涨
• 调试困难：CAS 失败不抛异常，只能靠日志或断点看 compareAndSwapXXX 返回值
• 与 GC 交互隐晦：对象引用的 CAS 成功，不代表该对象没被回收——尤其是弱引用或软引用场景

底层机制清晰不等于使用简单，CAS 的边界往往藏在争用模式、GC 周期和硬件缓存一致性协议（MESI）的细节里。

理论要掌握，实操不能落！以上关于《Java并发CAS机制原理解析》的详细介绍，大家都掌握了吧！如果想要继续提升自己的能力，那么就来关注golang学习网公众号吧！