CAS的用法及原理

对于count++这种操作来说，使用synchronized成本太高了，需要先获取锁，最后需要释放锁，获取不到锁的情况下需要等待，还会有线程的上下文切换，这些都需要成本。

可以使用下面一系列原子变量。实际上，Java并发包中的所有阻塞式工具、容器、算法也都是基于CAS的。

AtomicBoolean：原子Boolean类型，常用来在程序中表示一个标志位。

AtomicInteger：原子Integer类型。

AtomicLong：原子Long类型，常用来在程序中生成唯一序列号。

AtomicReference：原子引用类型，用来以原子方式更新复杂类型。使用 CAS (Compare-And-Swap) 机制，但不是比较数值，而是比较对象引用的指针地址。最大的缺陷就是它会遇到 ABA 问题。该问题是指，假设当前值为A，如果另一个线程先将A修改成B，再修改回成A，当前线程的CAS操作无法分辨当前值发生过变化。这时候就需要使用AtomicStampedReference。

AtomicStampedReference：在compareAndSet中要同时修改两个值：一个是引用，另一个是时间戳。它怎么实现原子性呢？实际上，内部AtomicStampedReference会将两个值组合为一个对象，修改的是一个值。

AtomicLongArray：对 long[] 数组中每个元素的原子性操作，意味着你可以安全地在多线程环境下对数组的任一索引进行操作，而不需要额外的锁。

AtomicReferenceArray：提供一种原子性地更新引用类型数组元素的方式。就像是一个 Object[] 数组，但数组中的每一个元素都可以进行原子操作（如 CAS），从而保证在多线程环境下，对数组单个元素的读写是线程安全的。

AtomicIntegerFieldUpdater：以原子方式更新某个类中指定的 volatile int 字段，而无需将该字段声明为 AtomicInteger。提供了一种基于反射的、针对普通字段的原子操作能力。要求：不能是 static 字段、不能是 final 字段。特别适用于有大量需要原子操作的数字场景，此时只需要创建一个Updater对象即可。

AtomicLongFieldUpdater：同上。

AtomicReferenceFieldUpdater：同上。

LongAdder：高性能原子累加器。当并发量极高时，大量线程适用AtomicLong会因为 CAS 失败而不断自旋（重试），这不仅浪费 CPU 资源，还会导致严重的底层的缓存一致性流量（L1/L2 Cache 频繁失效），这被称为“热点冲突”。LongAdder 的核心思想是分散热点，通过分散竞争和解决伪共享来实现极致性能的。

DoubleAdder：同上。

LongAccumulator：LongAccumulator 是 LongAdder 的增强版，提供了更强大的功能：自定义计算规则。LongAdder 实际上可以看作是 LongAccumulator 的一个特例。在 Java 源码中，LongAdder 的逻辑就是固定了加法函数的 LongAccumulator。

DoubleAccumulator：同上。

我们看下实现原理

这些方法的实现都依赖另一个public方法：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update)

compareAndSet是一个非常重要的方法，比较并设置，我们以后将简称为CAS。

该方法有两个参数expect和update，以原子方式实现了如下功能：如果当前值等于expect，则更新为update，否则不更新，如果更新成功，返回true，否则返回false。

AtomicInteger的incrementAndGet()函数实现：

private volatile int value;
public final int incrementAndGet() {
	for(; ; ) {
		int current = get();
		int next = current + 1;
		if(compareAndSet(current, next))
			return next;
	}
}

代码主体是个死循环，先获取当前值current，计算期望的值next，然后调用CAS方法进行更新，如果更新没有成功，说明value被别的线程改了，则再去取最新值并尝试更新直到成功为止。

与synchronized锁相比，这种原子更新方式代表一种不同的思维方式。

synchronized是悲观的，它假定更新很可能冲突，所以先获取锁，得到锁后才更新。

原子变量的更新逻辑是乐观的，它假定冲突比较少，但使用CAS更新，也就是进行冲突检测，如果确实冲突了，那也没关系，继续尝试就好了。

synchronized代表一种阻塞式算法，得不到锁的时候，进入锁等待队列，等待其他线程唤醒，有上下文切换开销。

原子变量的更新逻辑是非阻塞式的，更新冲突的时候，它就重试，不会阻塞，不会有上下文切换开销。

附：几种并发安全工具的性能对比