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JDK 源码中怎么分析 AtomicInteger 的底层的 CAS 实现

老浩姑娘_3934

老浩姑娘_3934

发布时间:2026-08-09 17:34:00

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来源于php中文网

原创

AtomicInteger通过CAS与volatile协同实现线程安全:Unsafe调用CPU原子指令(如x86的cmpxchg),结合valueOffset定位内存地址、volatile保证可见性,compareAndSet执行原子比较替换,getAndIncrement则通过循环重试完成乐观锁更新。

jdk 源码中怎么分析 atomicinteger 的底层的 cas 实现

要分析 AtomicInteger 底层的 CAS 实现,关键不是“看注释”,而是顺着三条主线深入源码:字段定义 → Unsafe 工具调用 → CPU 指令映射。整个过程在 JDK 25/26 中保持高度一致,且核心逻辑早在 JDK 8 就已稳定。

看清楚三个核心字段的协作关系

打开 AtomicInteger 源码(路径通常为 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger),先聚焦静态初始化块和字段声明:

  • private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); —— 这是所有原子操作的“发动机”,它绕过 JVM 普通内存访问,直接对接操作系统和硬件
  • private static final long valueOffset; —— 它不是固定数字,而是在静态块中通过 unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")) 动态计算出的内存地址偏移量,确保能精确定位到 value 字段在对象实例中的物理位置
  • private volatile int value; —— 真实存储整数值的字段,volatile 保证每次读写都直接与主内存交互,避免线程本地缓存导致的可见性问题

跟踪 compareAndSet 的调用链

这是最直接体现 CAS 语义的方法。查看其源码:

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

这一行就是全部——它把当前对象、value 字段的内存地址偏移、预期旧值、目标新值四个参数,打包交给 Unsafe。这里没有循环、没有锁、没有判断分支,纯粹是一次底层指令触发。

继续跟进 Unsafe.compareAndSwapInt,你会发现它是 native 方法(JDK 25/26 中仍由 HotSpot VM 以 C++ 实现),最终映射到 CPU 的 cmpxchg 指令(x86 架构)或等效原子指令(如 ARM 的 ldxr/stxr)。这个指令由硬件保障:读取、比较、写入三步不可分割,其他线程无法插入。

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理解 getAndIncrement 为何需要循环重试

对比 compareAndSet,getAndIncrement 返回的是“旧值”,所以必须确保读取和更新之间不被干扰:

public final int getAndIncrement() {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}

再看 getAndAddInt 的实现(位于 Unsafe 类或其子类中):

  • 先用 getIntVolatile 读取当前值 v
  • 执行 weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta) 尝试更新
  • 如果失败(说明已有其他线程改过 v),就重新读取再试,直到成功

这种“读—算—试—再读”的模式,就是典型的乐观锁实践:假设冲突少,靠重试而非阻塞来解决竞争。

验证是否真走 CAS 路径

实际调试时,可借助 JVM 参数辅助确认:

  • 加 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintAssembly(需安装 hsdis),观察 JIT 编译后是否生成 cmpxchg 相关汇编
  • 用 JOL(Java Object Layout)工具打印对象内存布局,验证 valueOffset 是否与 value 字段真实偏移一致
  • 在多线程高并发场景下打日志或用 JFR(Java Flight Recorder)采样,确认 compareAndSet 返回 false 的频率,间接反映 CAS 失败重试行为

不复杂但容易忽略。

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