AtomicInteger 是 Java 併發包 java.util.concurrent.atomic 中的一個類，它提供了對 int 型別變數的原子操作。透過使用底層的硬體原語（如CAS操作），AtomicInteger 能夠保證對其操作的執行緒安全性，而不需要顯式使用鎖。
CAS 操作
CAS（Compare-And-Swap）是一種原子操作，它包含三個運算元——記憶體地址、預期值和新值。CAS 操作會比較記憶體地址中的當前值與預期值，如果兩者相等，則將該位置更新為新值；否則，不進行任何操作。整個過程是不可中斷的，因此能夠保證執行緒安全。
底層實現
1. 成員變數和構造方法
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// Unsafe 例項，用於執行底層的CAS操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// value 欄位在記憶體中的偏移量
private static final long valueOffset;
// 初始化 value 欄位的記憶體偏移量
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) {
throw new Error(ex);
}
}
// volatile 修飾的 int 值，確保對該值的修改對所有執行緒可見
private volatile int value;
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
}
}
這裏，我們看到 AtomicInteger 使用了 sun.misc.Unsafe 類來進行低階別的原子操作。此外，value 欄位被 volatile 修飾，以確保其修改對所有執行緒立即可見。
2. 核心方法：compareAndSet
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
compareAndSet 方法直接呼叫了 Unsafe 的 compareAndSwapInt 方法，這個方法可以保證在硬體層面上的原子性操作。
3. 常用方法
get 和 set
public final int get() {
return value;
}
public final void set(int newValue) {
value = newValue;
}
這些方法分別用於獲取和設定當前值，其中 get 方法確保返回最新的值，而 set 方法則直接將新值賦給 value。
incrementAndGet 和 decrementAndGet
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
public final int decrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
這些方法透過迴圈和 CAS 操作來實現自增和自減功能。如果 compareAndSet 操作失敗（說明有其他執行緒修改了 value），則重新讀取當前值並重試，直到成功為止。
addAndGet 和 getAndAdd
public final int addAndGet(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
public final int getAndAdd(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
這兩個方法實現了加法操作，並返回相應的結果。addAndGet 返回的是加法操作後的新值，而 getAndAdd 返回的是加法操作前的舊值。
4. Unsafe 類的使用
AtomicInteger 依賴於 Unsafe 類來實現底層的原子操作。Unsafe 類提供了一組硬體級別的操作，可以直接操作記憶體和物件。以下是 compareAndSwapInt 方法的定義：
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
這個方法是一個本地方法，透過JNI（Java Native Interface）呼叫底層的硬體指令來實現原子性操作。
5. compareAndSwapInt 分析
此方法的具體實現是在 JVM 的原生代碼中完成的，這通常是用 C 或 C++ 編寫的。
底層實現
compareAndSwapInt 的具體實現因 JVM 的實現和執行的平臺不同而有所差異。以 OpenJDK 為例，在 HotSpot JVM 中，compareAndSwapInt 的實現可以在以下檔案中找到：
對於64位架構：
src/hotspot/share/runtime/atomic.cpp對於32位架構：
src/hotspot/os_cpu/linux_x86/atomic_linux_x86.inline.hpp
基於x86架構的CAS操作
以 x86 架構為例，底層硬體指令 CMPXCHG（比較並交換）用於實現 CAS 操作。以下是一個虛擬碼示例，展示瞭如何在 C++ 中實現 compareAndSwapInt：
inline bool compareAndSwapInt(jobject obj, jlong offset, jint expected, jint x) {
jint* addr = (jint*)((char*)obj + offset); // 計算物件欄位的真實地址
return __sync_bool_compare_and_swap(addr, expected, x); // 使用 GCC 提供的內建函式
}
在這個虛擬碼中，__sync_bool_compare_and_swap 是 GCC 提供的內建函式，它生成適當的機器指令來實現 CAS 操作。相應的彙編指令可能類似這樣：
mov eax, expected ; 將預期值載入到EAX暫存器中 mov ebx, new_value ; 將新值載入到EBX暫存器中 lock cmpxchg [addr], ebx ; 嘗試將EBX的值交換到[addr]位置，如果EAX與[addr]內容相同
彙編級別的細節
以下是一個簡化的示例，展示了 x86 彙編中的 CMPXCHG 指令：
; 輸入： ; EAX: 預期值 ; EBX: 新值 ; [ECX]: 記憶體地址 lock cmpxchg [ecx], ebx ; 如果 [ecx] == eax，則 [ecx] = ebx，否則 eax = [ecx]
如果記憶體地址 ecx 中的值與 eax 中的值相等，那麼將 ebx 中的值寫入 ecx 指向的記憶體地址；否則，將 ecx 指向的記憶體地址中的值載入到 eax 中。整個操作在硬體層面上是原子的。
總結
AtomicInteger 透過 Unsafe 類提供的原子性操作實現了執行緒安全的整數操作。它使用 volatile 保證記憶體可見性，透過 CAS 操作（如 compareAndSet）實現無鎖的執行緒安全。這使得 AtomicInteger 在高併發環境下比傳統的同步機制更高效。