Java 非阻塞同步機制：CAS 原理、原子變量與性能對比

非阻塞算法簡介

非阻塞算法屬於並發算法，不使用鎖，而是依賴硬件原生原子指令（如 CAS）實現線程協作。優勢：避免死鎖、優先級反轉；高併發下吞吐率通常優於鎖。缺點：實現極其困難，需處理 ABA 問題、指令重排等。

悲觀鎖 vs 樂觀鎖

CAS (Compare-And-Swap) 原理

三個操作數：內存值 V、預期值 A、新值 B。
原子操作：if (V == A) V = B; return old V;

典型模式：

1. 讀取 V 為 A。
2. 基於 A 計算新值 B。
3. CAS(V, A, B)：若期間 V 未被修改則更新成功，否則重試。

模擬 CAS 實現

public class SimulatedCAS {
    private int value;
    public synchronized int getValue() { return value; }
    public synchronized int compareAndSwap(int expected, int newValue) {
        int old = value;
        if (value == expected) value = newValue;
        return old;
    }
}

public class CasCounter {
    private SimulatedCAS value = new SimulatedCAS();
    public int getValue() { return value.getValue(); }
    public int increment() {
        int old = value.getValue();
        while (value.compareAndSwap(old, old + 1) != old)
            old = value.getValue();
        return old + 1;
    }
}

Java 原子變量類體系

JDK 5.0+ java.util.concurrent.atomic 包提供 12 個原子類，四大類：

常用原子類方法示例 (AtomicInteger)

AtomicInteger cnt = new AtomicInteger(0);
cnt.get();                    // 獲取值
cnt.set(10);                  // 設置值
cnt.getAndSet(20);            // 設置並返回舊值
cnt.getAndIncrement();        // i++ 返回舊值
cnt.incrementAndGet();        // ++i 返回新值
cnt.getAndAdd(5);             // +=5 返回舊值
cnt.compareAndSet(10, 15);    // CAS 期望 10 更新為 15

性能對比：鎖 vs 原子變量

• 低/中併發：原子變量擴展性極佳，性能遠超鎖。
• 高併發：鎖通過阻塞減少 CPU 空轉，性能反超原子變量（自旋重試消耗大）。
• 真實場景：多數業務屬低/中併發，原子變量整體表現更優。

ABA 問題與解決

場景：線程 1 讀取 V=A，線程 2 將 V 改為 B 再改回 A，線程 1 CAS 成功但實際語義已變。
解決：使用 AtomicStampedReference（帶整數戳記）或 AtomicMarkableReference（布爾標記）。

AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0);
// 更新時檢查戳記
ref.compareAndSet(100, 200, stamp, stamp+1);

最佳實踐建議

1. 簡單計數器、標誌位、引用更新 → AtomicInteger/Long/Boolean/Reference。
2. 需對對象多字段原子更新 → 封裝為不可變對象 + AtomicReference。
3. 高併發計數 → LongAdder (JDK 8) 分段累加，性能優於 AtomicLong。
4. 避免在循環中長時間自旋 CAS，考慮鎖或 Thread.onSpinWait() (JDK 9+)。