AtomicInteger 源碼深度解析：CAS 無鎖機制、樂觀鎖與 ABA 問題

背景：為什麼需要 AtomicInteger？

LinkedBlockingQueue 等並發容器大量使用 AtomicInteger 維護計數器。傳統 synchronized 屬於悲觀鎖：假設衝突必發，線程阻塞/喚醒開銷大；若臨界區極短（如計數器++），上下文切換成本遠超業務邏輯。

樂觀鎖與 CAS 原理

CAS (Compare-And-Swap) 是樂觀鎖的硬件級實現，三個操作數：

• V：內存值
• A：預期值
• B：新值

原子操作：若 V == A，則 V = B，返回 true；否則不修改，返回 false。失敗線程不阻塞，自旋重試（for(;;)）。

ABA 問題及解決

場景：V 從 A→B→A，CAS 以為未變。解決：引入版本號或時間戳，即 AtomicStampedReference，比較 (引用, 版本) 對。

AtomicInteger 核心源碼解讀

getAndIncrement()

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

非線程安全的 get() + 加法，但 compareAndSet 保證原子性更新。

compareAndSet()

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

• unsafe：sun.misc.Unsafe，繞過 JVM 安全檢查直接操作內存。
• valueOffset：value 字段在對象中的內存偏移量（靜態初始化獲取）。
• compareAndSwapInt：Native 方法，映射 CPU CMPXCHG 指令（x86 鎖總線/緩存行）。

模擬 CAS 實現計數器（教學用）

// 非真實 CAS，僅示意邏輯
class SimpleCAS {
    private volatile int value; // volatile 保證可見性
    public synchronized boolean compareAndSwap(int expected, int newValue) {
        int old = value;
        if (old == expected) { value = newValue; return true; }
        return false;
    }
}

class CASCounter {
    private SimpleCAS cas;
    public int increment() {
        int old = cas.getValue();
        for (;;) if (cas.compareAndSwap(old, old+1)) return cas.getValue();
    }
}

真實 AtomicInteger 無 synchronized，完全依賴 Unsafe + volatile 實現無阻塞（非無等待）線程安全。

性能與適用場景

• 低/中競爭：CAS 自旋極快，吞吐遠超鎖。
• 高競爭：大量線程自旋消耗 CPU，可考慮 LongAdder（分段計數）或鎖。
• 適用於計數器、序列生成器、狀態標誌等簡單原子操作。