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面試：詳細說說AtomicInteger 的原理

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AtomicInteger 的原理詳解
AtomicInteger 是 Java 并發包 (java.util.concurrent.atomic) 中的原子類，用于實現 線程安全的整型變量操作（如 i++），其核心原理基于 CAS（Compare and Swap） 無鎖算法和 volatile 可見性。以下是其實現原理的詳細分析：

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1. 核心設計

(1) 依賴的底層技術

• CAS 操作：通過 sun.misc.Unsafe 類調用 CPU 的原子指令（如 CMPXCHG），實現無鎖的原子更新。
• volatile 變量：內部值 value 用 volatile 修飾，保證多線程間的可見性（直接讀寫主內存）。

(2) 類結構關鍵代碼

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;// 使用 Unsafe 類操作底層 CASprivate static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private static final long valueOffset; // value 字段的內存偏移量static {try {// 獲取 value 字段在對象內存中的偏移量valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }}private volatile int value; // 實際存儲值的 volatile 變量public AtomicInteger(int initialValue) {value = initialValue;}
}

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2. 關鍵方法實現原理

(1) incrementAndGet()：原子自增

public final int incrementAndGet() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}// Unsafe 類的實現
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v = getIntVolatile(o, offset); // 讀取當前值} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta)); // CAS 更新return v;
}

步驟：

1. 讀取當前值：通過 getIntVolatile 讀取 value 的當前值（volatile 保證可見性）。
2. CAS 更新：嘗試用 compareAndSwapInt 將 value 從 v 更新為 v + delta。
3. 失敗重試：若 CAS 失敗（值已被其他線程修改），循環重試直到成功。

(2) compareAndSet()：CAS 核心方法

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

• 若當前值等于 expect，則將其更新為 update，返回 true；否則返回 false。

(3) get() 和 set()：直接訪問 volatile 變量

public final int get() {return value; // 直接讀取 volatile 變量，保證可見性
}public final void set(int newValue) {value = newValue; // 直接寫入 volatile 變量
}

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3. 無鎖設計的優勢

(1) 高性能

• 無阻塞：線程通過自旋（循環重試）而非阻塞等待，減少上下文切換開銷。
• 低競爭時高效：在低并發場景下，CAS 成功率極高，性能遠超 synchronized 或 ReentrantLock。

(2) 避免死鎖

• 無鎖機制天然避免死鎖，因為沒有線程會持有鎖不放。

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4. 局限性及應對

(1) ABA 問題

• 問題描述：若變量的值從 A 改為 B 后又改回 A，CAS 無法感知中間變化。
• 解決方案：使用 AtomicStampedReference 或 AtomicMarkableReference，通過版本號標記狀態。

  AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(0, 0);
  ref.compareAndSet(0, 1, 0, 1); // 檢查值 + 版本號
  

(2) 自旋開銷

• 問題：高并發下 CAS 失敗率高，線程長時間自旋浪費 CPU。
• 優化策略：
  • 退避算法：失敗后等待一段時間再重試（如 Thread.yield()）。
  • 結合鎖機制：在自旋一定次數后轉為阻塞鎖。

(3) 僅支持單一變量

• 問題：無法原子更新多個變量（如 i++ 和 j++ 需同時保證原子性）。
• 解決方案：
  • 使用 AtomicReference 封裝多個變量為一個對象。
  • 對復合操作使用鎖（如 synchronized）。

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5. 性能對比

AtomicInteger vs synchronized vs ReentrantLock

場景	AtomicInteger	synchronized	ReentrantLock
低競爭	極快（無鎖自旋）	較快（偏向鎖優化）	較快（CAS 嘗試）
高競爭	較差（自旋開銷大）	較差（線程阻塞頻繁）	較差（CAS 競爭激烈）
復合操作	不支持	支持	支持

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6. 應用場景

• 計數器：如統計請求量、在線人數。
• 狀態標志：如開關狀態的原子切換。
• 序列生成：生成唯一遞增 ID。

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總結

AtomicInteger 通過 CAS + volatile 實現了無鎖的線程安全操作：

1. CAS：保證原子性，避免鎖開銷。
2. volatile：保證可見性，確保線程讀取最新值。
3. 自旋重試：在競爭不激烈時高效，高競爭時需結合退避策略。

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