CAS无锁机制原理

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原创最新推荐文章于 2026-03-29 02:54:38 发布 2.1k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

从 CAS 到 AQS：Java 并发编程的锁机制演进全解析，一文搞懂底层原理！ Java并发编程的核心技术演进：从CAS到锁优化本文探讨了Java并发编程中的关键技术演进路径。首先介绍了CAS(比较并交换)这一硬件级原子操作原理，它通过比较预期值和实际值实现无锁编程。Java通过Unsafe类实现CAS，但存在ABA问题和自旋开销。基于CAS开发了自旋锁，采用忙等待策略减少上下文切换，并通过自适应机制优化自旋次数。进一步分析了Java并发框架从CAS到synchronized锁升级，再到AQS框架的技术演进，展现了如何在保证线程安全的同时提升性能。这些底层机制共同构成了Java高效阅读详情

CAS无锁机制原理

原子类

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

悲观锁

为什么会有原子类

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

我只说下AtomicInteger，大家了解下。其他的都是类似的。

先看这段代码：

package com.toov5.thread;

import javax.swing.text.AbstractDocument.BranchElement;

//两个线程同时操作一个全局变量 线程安全问题
public class Test01 extends Thread{
    //共享全局变量
    private static int count = 1;  
    
    @Override
    public void run() {
       while(true){
           Integer count = getCount();
           if (count==1000) {
            break;
        }
           System.out.println(count);
       }    
    }
    
    public Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
          return count++;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Test01 t1 = new Test01(); 
        Test01 t2 = new Test01(); 
        t1.start();
        t2.start();
    }
    
    
    
}

线程安全问题：

、

解决线程安全问题可以用synchronize ，原子性可见性可重入性

效率低不能解决重排序

加了之后还是有这个问题这是两个线程用的this锁！！应该用同步代码块但是 Runnable就不一样的解决方式了

解决！！

synchronize 只有一个线程进去解决完了后面的才进来效率低阻塞

用乐观锁解决： AtomicInteger

线程安全共享全局变量做++操作的底层是个线程安全的++

package com.toov5.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

//两个线程同时操作一个全局变量 线程安全问题
public class Test01 implements Runnable{
    //共享全局变量
//    private static int count = 1;  
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    @Override
    public void run() {
       while(true){
           Integer count = getCount();
           if (count==1000) {
            break;
        }
           System.out.println(count);
       }    
    }
    
    public Integer getCount(){
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
          return atomicInteger.incrementAndGet();  //每次做自增
    }
    
    public static void main(String[] args) {
       Test01 test01 = new Test01(); 
       Thread t1 = new Thread(test01);
       Thread t2 = new Thread(test01);
       t1.start();
       t2.start();
    }
    
    
    
}

线程安全的，但是他底层没有使用锁 CAS无锁机制

do while 做比较一直比较类似于自旋锁自旋嘛

CAS与Java内存模型（JMM）结合理解

CAS无锁机制三个参数：

V :需要更新的变量 主内存中的

E ：预期值 本地内存的

N ：新值

如果：

V=E 说明没有被修改过将V的值设为N

V!=E 说明没有被修改过主内存中的值刷新到本地内存，然后进行循环比较，一致了就改为N

CAS无锁模式

什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

CAS算法理解

（1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

（2）无锁的好处：

第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；

第二，它天生就是死锁免疫的。

就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。

（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

（5）简单地说，CAS需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，那说明它已经被别人修改过了。你就重新读取，再次尝试修改就好了。

（6）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

CAS（乐观锁算法）的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{
       备份旧数据；
       基于旧数据构造新数据；
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

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