Java原子类原理与使用详解
2026-02-19 12:12:44
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Java原子类是一套专为单变量“读-改-写”操作设计的轻量级无锁线程安全工具,依托CAS(比较并交换)机制实现高效、非阻塞的原子更新,在计数器、标志位、无锁数据结构等场景下性能远超synchronized;但它绝非万能锁替代品——无法保障多变量操作的一致性,滥用会导致隐蔽的线程安全漏洞;理解其适用边界(如AtomicReference与AtomicStampedReference应对ABA问题的区别)、正确用法(避免手动get+set破坏原子性)及关键约束(如字段更新器要求volatile修饰),才能真正发挥其“刚好够用”的威力,让高并发代码既高效又可靠。

Atomic类是用来替代synchronized做单变量线程安全更新的
它不是万能锁替代品,而是专为“对一个变量做读-改-写”这类操作设计的轻量方案。比如 count++、flag.set(true)、ref.compareAndSet(old, new)——这些原本非原子的操作,在Atomic类里被封装成一条CPU指令(如CAS),天然不阻塞、无锁、不挂起线程。
- 适用场景:计数器、开关标志、状态位切换、无锁栈/队列中的头节点更新
- 不适用场景:需要保护多变量一致性(如“扣库存+写日志”必须一起成功)、涉及IO或长耗时逻辑的临界区
- 性能差异:高并发下
AtomicInteger.incrementAndGet()比synchronized快 3–5 倍,因为没锁竞争开销;但低并发时差别几乎不可测
为什么AtomicInteger.getAndIncrement()不会丢更新
根本原因不是“Java魔法”,而是底层调用 Unsafe.compareAndSwapInt() 实现的循环重试(CAS):先读当前值 v,再尝试把 v+1 写回去,仅当内存中仍是 v 才成功;否则重读、重算、重试。整个过程由硬件保证“读-比-写”三步不可分割。
- 典型错误:误以为
getAndIncrement()和incrementAndGet()只是返回值顺序不同——其实它们都绝对线程安全,区别仅在返回时机 - 容易踩的坑:用
get()读出值后手动加1再set(),这完全破坏原子性,等价于裸写count++ - 注意
lazySet():它不保证立即可见,只承诺“最终一致”,适合写入后不马上被其他线程读的场景(如链表尾指针更新)
AtomicReference和AtomicStampedReference怎么选
当你需要原子更新对象引用时,AtomicReference 是默认选择;但一旦涉及“修改前检查旧值”,就得警惕 ABA 问题——即某值从 A→B→A,compareAndSet(A, C) 会误判成功。
AtomicReference:适合纯引用替换,如无锁栈的head更新、配置对象热替换AtomicStampedReference:带版本号,每次修改自动递增 stamp,compareAndSet(expectedRef, newRef, expectedStamp, newStamp)同时校验引用+版本,可破 ABA- 别用
AtomicMarkableReference解 ABA:它只带一个布尔标记,无法区分“两次变回A”和“一直就是A”,资料已明确修正该误区
字段更新器(Updater)为什么需要volatile修饰
AtomicIntegerFieldUpdater 这类 updater 不持有字段副本,而是直接操作目标对象的内存地址。为确保其他线程能看到最新值,被更新的字段**必须声明为 volatile**,否则 updater 的写入可能被编译器重排序或 CPU 缓存滞留。
- 编译期检查:updater 的
newUpdater()方法在运行时会反射校验字段是否 volatile,不满足则抛RuntimeException - 典型用法:想给已有类(不能改源码)加原子能力,比如给第三方库的
public volatile int state字段配 updater - 注意:updater 无法跨类访问 private 字段,且对 final 字段无效
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