线程安全的实现方法包含:
CAS的全称为Compare-And-Swap，直译就是对比交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，经过调查发现，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的接口。 简单解释：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值(期望操作前的值)和一个新值，在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。
CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁。JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁(synchronized 重量级锁)来保持原子更新。
相信sql大家都熟悉，类似sql中的条件更新一样：update set id=3 from table where id=2。因为单条sql执行具有原子性，如果有多个线程同时执行此sql语句，只有一条能更新成功。
如果不使用CAS，在高并发下，多线程同时修改一个变量的值我们需要synchronized加锁(可能有人说可以用Lock加锁，Lock底层的AQS也是基于CAS进行获取锁的)。
public class Test {
private int i=0;
public synchronized int add(){
return i++;
}
}
java中为我们提供了AtomicInteger 原子类(底层基于CAS进行更新数据的)，不需要加锁就在多线程并发场景下实现数据的一致性。
public class Test {
private AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public int add(){
return i.addAndGet(1);
}
}
CAS 方式为乐观锁，synchronized 为悲观锁。因此使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。
但使用 CAS 方式也会有几个问题：
ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，比如没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时则会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。
从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
循环时间长开销大
自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：第一，它可以延迟流水线执行命令(de-pipeline)，使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空(CPU Pipeline Flush)，从而提高CPU的执行效率。
只能保证一个共享变量的原子操作
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。
还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i = 2，j = a，合并一下ij = 2a，然后用CAS来操作ij。
从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
上文我们了解到Java原子类是通过UnSafe类实现的，这节主要分析下UnSafe类。UnSafe类在J.U.C中CAS操作有很广泛的应用。
Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。
这个类尽管里面的方法都是 public 的，但是并没有办法使用它们，JDK API 文档也没有提供任何关于这个类的方法的解释。总而言之，对于 Unsafe 类的使用都是受限制的，只有授信的代码才能获得该类的实例，当然 JDK 库里面的类是可以随意使用的。
先来看下这张图，对UnSafe类总体功能：
如上图所示，Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类，下面将对其相关方法和应用场景进行详细介绍。
反编译出来的代码：
public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
{
int i;
do
i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt));
return i;
}
public final long getAndAddLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2)
{
long l;
do
l = getLongVolatile(paramObject, paramLong1);
while (!compareAndSwapLong(paramObject, paramLong1, l, l + paramLong2));
return l;
}
public final int getAndSetInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
{
int i;
do
i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, paramInt));
return i;
}
public final long getAndSetLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2)
{
long l;
do
l = getLongVolatile(paramObject, paramLong1);
while (!compareAndSwapLong(paramObject, paramLong1, l, paramLong2));
return l;
}
public final Object getAndSetObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2)
{
Object localObject;
do
localObject = getObjectVolatile(paramObject1, paramLong);
while (!compareAndSwapObject(paramObject1, paramLong, localObject, paramObject2));
return localObject;
}
从源码中发现，内部使用自旋的方式进行CAS更新(while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试)。
又从Unsafe类中发现，原子操作其实只支持下面三个方法。
public final native boolean compareAndSwapObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2, Object paramObject3);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2, long paramLong3);
我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong。都是native方法。
不妨再看看Unsafe的compareAndSwap*方法来实现CAS操作，它是一个本地方法，实现位于unsafe.cpp中。
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
可以看到它通过 Atomic::cmpxchg 来实现比较和替换操作。其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。
如果是Linux的x86，Atomic::cmpxchg方法的实现如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::is_MP();
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
}
而windows的x86的实现如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::isMP(); //判断是否是多处理器
_asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
__asm je L0 \
__asm _emit 0xF0 \
__asm L0:
如果是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。反之，就省略lock前缀(单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果)。这里的lock前缀就是使用了处理器的总线锁(最新的处理器都使用缓存锁代替总线锁来提高性能)。
cmpxchg(void* ptr, int old, int new)，如果ptr和old的值一样，则把new写到ptr内存，否则返回ptr的值，整个操作是原子的。在Intel平台下，会用lock cmpxchg来实现，使用lock触发缓存锁，这样另一个线程想访问ptr的内存，就会被block住。
Unsafe 提供了硬件级别的操作，比如说获取某个属性在内存中的位置，比如说修改对象的字段值，即使它是私有的。不过 Java 本身就是为了屏蔽底层的差异，对于一般的开发而言也很少会有这样的需求。
举两个例子，比方说：
这个方法可以用来获取给定的 paramField 的内存地址偏移量，这个值对于给定的 field 是唯一的且是固定不变的。
再比如说：
public native int arrayBaseOffset(Class paramClass);
public native int arrayIndexScale(Class paramClass);
前一个方法是用来获取数组第一个元素的偏移地址，后一个方法是用来获取数组的转换因子即数组中元素的增量地址的。
最后看三个方法：
public native long allocateMemory(long paramLong);
public native long reallocateMemory(long paramLong1, long paramLong2);
public native void freeMemory(long paramLong);
分别用来分配内存，扩充内存和释放内存的。
以 AtomicInteger 为例，常用 API：
public final int get()：获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
void lazySet(int newValue): 最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
相比 Integer 的优势，多线程中让变量自增：
使用 AtomicInteger 后：
private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public void increment() {
count.incrementAndGet();
}
// 使用 AtomicInteger 后，不需要加锁，也可以实现线程安全
public int getCount() {
return count.get();
}
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
//用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
//返回当前值
public final int get() {
return value;
}
//递增加detla
public final int getAndAdd(int delta) {
//三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、当前value要加上的数(value+delta)。
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
//递增加1
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
...
}
我们可以看到 AtomicInteger 底层用的是volatile的变量和CAS来进行更改数据的。
JDK中提供了13个原子操作类。
使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。
以上3个类提供的方法几乎一模一样，可以参考上面AtomicInteger中的相关方法。
通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下的4个类：
举个AtomicIntegerArray例子：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
public class Demo5 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(new int[] { 0, 0 });
System.out.println(array);
System.out.println(array.getAndAdd(1, 2));
System.out.println(array);
}
}
输出结果：
[0, 0]
0
[0, 2]
Atomic包提供了以下三个类：
这三个类提供的方法都差不多，首先构造一个引用对象，然后把引用对象set进Atomic类，然后调用compareAndSet等一些方法去进行原子操作，原理都是基于Unsafe实现，但AtomicReferenceFieldUpdater略有不同，更新的字段必须用volatile修饰。
举个AtomicReference例子：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class AtomicReferenceTest {
public static void main(String[] args){
// 创建两个Person对象，它们的id分别是101和102。
Person p1 = new Person(101);
Person p2 = new Person(102);
// 新建AtomicReference对象，初始化它的值为p1对象
AtomicReference ar = new AtomicReference(p1);
// 通过CAS设置ar。如果ar的值为p1的话，则将其设置为p2。
ar.compareAndSet(p1, p2);
Person p3 = (Person)ar.get();
System.out.println("p3 is "+p3);
System.out.println("p3.equals(p1)="+p3.equals(p1));
}
}
class Person {
volatile long id;
public Person(long id) {
this.id = id;
}
public String toString() {
return "id:"+id;
}
}
结果输出：
p3 is id:102
p3.equals(p1)=false
结果说明：
Atomic包提供了四个类进行原子字段更新：
这四个类的使用方式都差不多，是基于反射的原子更新字段的值。要想原子地更新字段类需要两步:
举个例子：
public class TestAtomicIntegerFieldUpdater {
public static void main(String[] args){
TestAtomicIntegerFieldUpdater tIA = new TestAtomicIntegerFieldUpdater();
tIA.doIt();
}
public AtomicIntegerFieldUpdater<DataDemo> updater(String name){
return AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(DataDemo.class,name);
}
public void doIt(){
DataDemo data = new DataDemo();
System.out.println("publicVar = "+updater("publicVar").getAndAdd(data, 2));
/*
* 由于在DataDemo类中属性value2/value3,在TestAtomicIntegerFieldUpdater中不能访问
* */
//System.out.println("protectedVar = "+updater("protectedVar").getAndAdd(data,2));
//System.out.println("privateVar = "+updater("privateVar").getAndAdd(data,2));
//System.out.println("staticVar = "+updater("staticVar").getAndIncrement(data));//报java.lang.IllegalArgumentException
/*
* 下面报异常：must be integer
* */
//System.out.println("integerVar = "+updater("integerVar").getAndIncrement(data));
//System.out.println("longVar = "+updater("longVar").getAndIncrement(data));
}
}
class DataDemo{
public volatile int publicVar=3;
protected volatile int protectedVar=4;
private volatile int privateVar=5;
public volatile static int staticVar = 10;
//public final int finalVar = 11;
public volatile Integer integerVar = 19;
public volatile Long longVar = 18L;
}
再说下对于AtomicIntegerFieldUpdater 的使用稍微有一些限制和约束，约束如下：
字段必须是volatile类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见.eg:volatile int value = 3
字段的描述类型(修饰符public/protected/default/private)是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。
只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。
只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的，这两个关键字不能同时存在。
对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型(Integer/Long)。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。
AtomicStampedReference主要维护包含一个对象引用以及一个可以自动更新的整数"stamp"的pair对象来解决ABA问题。
public class AtomicStampedReference<V> {
private static class Pair<T> {
final T reference; //维护对象引用
final int stamp; //用于标志版本
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
private volatile Pair<V> pair;
....
/**
* expectedReference ：更新之前的原始值
* newReference : 将要更新的新值
* expectedStamp : 期待更新的标志版本
* newStamp : 将要更新的标志版本
*/
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
// 获取当前的(元素值，版本号)对
Pair<V> current = pair;
return
// 引用没变
expectedReference == current.reference &&
// 版本号没变
expectedStamp == current.stamp &&
// 新引用等于旧引用
((newReference == current.reference &&
// 新版本号等于旧版本号
newStamp == current.stamp) ||
// 构造新的Pair对象并CAS更新
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
// 调用Unsafe的compareAndSwapObject()方法CAS更新pair的引用为新引用
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
}
如果元素值和版本号都没有变化，并且和新的也相同，返回true；
如果元素值和版本号都没有变化，并且和新的不完全相同，就构造一个新的Pair对象并执行CAS更新pair。
可以看到，java中的实现跟我们上面讲的ABA的解决方法是一致的。
首先，使用版本号控制；
其次，不重复使用节点(Pair)的引用，每次都新建一个新的Pair来作为CAS比较的对象，而不是复用旧的；
最后，外部传入元素值及版本号，而不是节点(Pair)的引用。
private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef =
new AtomicStampedReference<>(1, 0);
public static void main(String[] args){
Thread main = new Thread(() -> {
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",初始值 a = " + atomicStampedRef.getReference());
int stamp = atomicStampedRef.getStamp(); //获取当前标识别
try {
Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便让干扰线程执行
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean isCASSuccess = atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,stamp,stamp +1); //此时expectedReference未发生改变，但是stamp已经被修改了,所以CAS失败
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",CAS操作结果: " + isCASSuccess);
},"主操作线程");
Thread other = new Thread(() -> {
Thread.yield(); // 确保thread-main 优先执行
atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【increment】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());
atomicStampedRef.compareAndSet(2,1,atomicStampedRef.getStamp(),atomicStampedRef.getStamp() +1);
System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() +",【decrement】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());
},"干扰线程");
main.start();
other.start();
}
输出结果：
// 输出
> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],初始值 a = 2
> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【increment】 ,值 = 2
> 操作线程Thread[干扰线程,5,main],【decrement】 ,值 = 1
> 操作线程Thread[主操作线程,5,main],CAS操作结果: false
AtomicMarkableReference，它不是维护一个版本号，而是维护一个boolean类型的标记，标记值有修改，了解一下。