《死磕 Java 并發編程》系列連載中，大家可以關注一波，

「死磕 Java 并發編程」阿里二面，面試官：說說 Java CAS 原理？

「死磕 Java 并發編程」面試官：說說什么是 Java 記憶體模型（JMM）？

「死磕 Java 并發編程」10張圖告訴你Java并發多執行緒那些破事

目錄

執行緒安全真的是執行緒的安全嗎？

什么是 Atomic？

實作一個計數器

AtomicInteger 原始碼分析

AtomicLong 和 LongAdder 誰更牛？

總結

當我們談論『執行緒安全』的時候，肯定都會想到 Atomic 類，不錯，Atomic 相關類都是執行緒安全的，在講 Atomic 類之前我想再聊聊『執行緒安全』這個概念，

執行緒安全真的是執行緒的安全嗎？

初看『執行緒安全』這幾個字，很容易望文生義，這不就是執行緒的安全嗎？其實不是，執行緒本身沒有好壞，沒有『安全的執行緒』和『不安全的執行緒』之分，俗話說：人之初性本善，執行緒天生也是純潔善良的，真正讓執行緒變壞是因為訪問的變數的原因，變數對于作業系統來說其實就是記憶體塊，所以繞了這么一大圈，執行緒安全稱為『記憶體的安全』可能更為貼切，

簡而言之，執行緒訪問的記憶體決定了這個執行緒是否是安全的，

變數大致可以分為區域變數和共享變數，區域變數對于 JVM 來說是堆疊空間，大家都背過八股文，堆疊是執行緒私有的是非共享的，那自然也是記憶體安全的；共享變數對于 JVM 來說一般是存在于堆上，堆上的東西是所有執行緒共享的，如果不加任何限制自然是不安全的，

因為執行緒安全這個概念已經深入人心了，所以后面我們還是用執行緒安全來表達記憶體安全的含義，

那如何解決這種不安全呢？方法有很多，比如：加鎖、Atomic 原子類等，

好了，咱們今天先來看看Atomic類，

什么是 Atomic？

Java從JDK1.5開始提供java.util.concurrent.atomic包，這里包含了多個原子操作類，原子操作類提供了一個簡單、高效、安全的方式去更新一個變數，

Atomic 包下的原子操作類有很多，可以大致分為四種型別：

• 原子操作基本型別

• 原子操作陣列型別

• 原子操作參考型別

• 原子操作更新屬性

Atomic原子操作類在原始碼中都使用了Unsafe類，Unsafe類提供了硬體級別的原子操作，可以安全地直接操作記憶體變數，后面講解原始碼時再詳細介紹，

實作一個計數器

假如在業務代碼中需要實作一個計數器的功能，啪地一下，很快我們就寫出了以下的代碼：

/**
 * Author: 公眾號 愛笑的架構師
 */
public class Counter {
    private int count;

    public void increase() {
        count++;
    }
}

increase方法對 count 變數進行遞增，

當代碼提交上庫進行code review時，啪地一下，很快收到了檢視意見（嚴重級別）：

如果在多執行緒場景下，你的計數器可能有問題，

上大一的時候老師就講過 count++ 是非原子性的，它實際上包含了三個操作：讀資料，加一，寫回資料，

再次修改代碼，多線訪問increase方法會有問題，那就給它加個鎖吧，count變數修改了其他執行緒可能不能即時看到，那就給變數加個 volatile 吧，

吭哧吭哧，代碼如下：

/**
 * Author: 公眾號 愛笑的架構師
 */
public class LockCounter {
    private volatile int count;

    public synchronized void increase() {
        count++;
    }
}

一頓操作猛如虎，再次提交代碼后，依然收到了檢視意見（建議級別）：

加鎖會影響效率，可以考慮使用原子操作類，

原子操作類？「黑人問號臉」，莫不是大佬知道我晚上有約會故意整我，不想合入代碼吧，帶著將信將疑的態度，打開百度谷歌，原來 AtomicInteger 可以輕松解決這個問題，手忙腳亂一頓復制粘貼代碼搞定了，終于可以下班了，

/**
 * Author: 公眾號 愛笑的架構師
 */
public class AtomicCounter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increase() {
        count.incrementAndGet();
    }
}

AtomicInteger 原始碼分析

呼叫AtomicInteger類的incrementAndGet方法不用加鎖可以實作安全的遞增，這個好神奇，下面帶領大家分析一下原始碼是這么實作的，等不及了等不及了，

打開原始碼，可以看到定義的incrementAndGet方法：

/**
* 在當前值的基礎上自動加 1
*
* @return 更新后的值
*/
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

通過原始碼可以看到實際上是呼叫了 unsafe 的一個方法，unsafe 是什么待會再說，

我們再看看getAndAddInt方法的引數：第一個引數 this 是當前物件的參考；第二個引數valueOffset是用來記錄value值在記憶體中的偏移地址，第三個引數是一個常量 1；

在 AtomicInteger 中定義了一個常量valueOffset和一個可變的成員變數 value：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;

value 變數保存當前物件的值，valueOffset 是變數的記憶體偏移地址，也是通過呼叫unsafe的方法獲取，

public final class Unsafe {
    // ……省略其他方法

    public native long objectFieldOffset(Field f);
}

這里再說說 Unsafe 這個類，人如其名：不安全的類，打開 Unsafe 類會看到大部分方法都標識了 native，也就是說這些都是本地方法，本地方法強依賴于作業系統平臺，一般都是采用C/C++語言撰寫，在呼叫 Unsafe 類的本地方法實際會執行這些方法，熟悉 C/C++的小伙伴可自行下載原始碼研究，

好了，我們再回到最開始，呼叫了 Unsafe 類的getAndAddInt方法：

public final class Unsafe {
    // ……省略其他方法

    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset); 
            // 回圈 CAS 操作
        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

    // 根據記憶體偏移地址獲取當前值
    public native int getIntVolatile(Object o, long offset);

    // CAS 操作
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);
}

通過getIntVolatile方法獲取當前 AtomicInteger 物件的value值，這是一個本地方法，

然后呼叫compareAndSwapInt進行 CAS 原子操作，嘗試在當前值的基礎上加 1，如果 CAS 失敗會回圈進行重試，

因此compareAndSwapInt方法是最核心的，詳細實作大家可以自行找原始碼看，這里我們看看方法的引數，一共有四個引數：o 是指當前物件；offset 是指當前物件值的記憶體偏移地址；expected是期望值；x是修改后的值；

compareAndSwapInt方法的思路是拿到物件 o 和 offset 后會再去取物件實際的值，如果當前值與之前取的期望值是一致的就認為 value 沒有被修改過，直接將 value 的值更新為 x，這樣就完成了一次 CAS 操作，CAS 操作是通過作業系統保證原子性的，

如果當前值與期望值不一致，說明 value 值被修改過，那么就會重試 CAS 操作直到成功，

AtomicInteger類中還有很多其他的方法，如：

decrementAndGet()
getAndDecrement()
getAndIncrement()
accumulateAndGet()
// …… 省略

這些方法實作原理都是大同小異，希望大家可以舉一反三理解其他的方法，

另外還有一些其他的類，如：AtomicLong，AtomicReference，AtomicIntegerArray等，這里也不再贅述，原理都是大同小異，

AtomicLong 和 LongAdder 誰更牛？

Java 在 jdk1.8版本 引入了 LongAdder 類，與 AtomicLong 一樣可以實作加、減、遞增、遞減等執行緒安全操作，但是在高并發競爭非常激烈的場景下 LongAdder 的效率更勝一籌，后續單獨用一篇文章進行介紹，

總結

講了半天，可能有的小伙伴還是比較懵，Atomic 類到底是如何實作執行緒安全的？

在語言層面上，Atomic 類是沒有做任何同步操作的，翻看源代碼方法沒有任何加鎖，其實最大功勞還是在 CAS 身上，CAS 利用作業系統的硬體特性實作了原子性，利用 CPU 多核能力實作了硬體層面的阻塞，

只有 CAS 的原子性保證就一定是執行緒安全的嗎？當然不是的，通過原始碼發現 value 變數還用了 volatile 修飾了，保證了執行緒可見性，

那有些小伙伴可能要問了，那是不是加鎖就沒有用了，非也，雖然基于 CAS 的執行緒安全機制很好很高效，但是這適合一些粒度比較小的需求才有效，如果遇到非常復雜的業務邏輯還是需要加鎖操作的，

大家學會了嗎？

Java 并發編程的知識非常多，同時也是 Java 面試的高頻考點，面試官必問的，需要學習 Java 并發編程其他知識的小伙伴可以去下載『阿里師兄總結的Java知識筆記 總共 283 頁，超級詳細』，

作者：雷小帥

推薦一個Github 開源專案，『Java八股文』Java面試套路，Java進階學習，打破內卷拿大廠Offer，升職加薪！

作者簡介： ?讀過幾年書：華中科技大學碩士畢業；
😂浪過幾個大廠：華為、網易、百度……
😘一直堅信技術能改變世界，愿保持初心，加油技術人！

微信搜索公眾號【愛笑的架構師】，關注這個對技術有追求且有趣的打工人，