📌 一、什麼是「原子性變數」與 CAS？

在多執行緒環境下，多個執行緒若同時修改同一個變數，容易發生資料競爭。

Java 提供 java.util.concurrent.atomic 套件，裡面有許多「原子操作」的變數類型，例如：

  • AtomicInteger
  • AtomicLong
  • AtomicReference

這些類別提供 非阻塞（non-blocking） 的操作方式，底層就是使用 CAS（Compare-And-Swap，比較並交換） 實作的。

⚙️ 二、CAS 的核心邏輯

CAS 是一種樂觀鎖策略，基本流程如下：

  1. 讀取目前值
  2. 比對是否與預期值一致
  3. 若一致，就更新為新值
  4. 若不一致，就放棄（重試或結束）

✅ 優點：不用 synchronized 就能寫出安全的多執行緒操作

❌ 缺點：高併發時可能需要一直 retry，自旋過多會浪費 CPU

💡 三、實際範例：用 CAS 實作「無鎖計數器」

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import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CasCounter {
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        while (true) {
            int oldValue = counter.get();        // 1. 取得目前值
            int newValue = oldValue + 1;         // 2. 計算新值
            if (counter.compareAndSet(oldValue, newValue)) {
                // 3. 嘗試更新：若目前值 == 舊值，就設為新值
                break;
            }
            // 4. 如果失敗（可能被其他執行緒改掉了），就重試
        }
    }

    public int getValue() {
        return counter.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        CasCounter counter = new CasCounter();

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) counter.increment();
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) counter.increment();
        });

        t1.start(); t2.start();
        t1.join(); t2.join();

        System.out.println("Final count: " + counter.getValue());// 預期結果為 2000
    }
}

🔍 這裡的 compareAndSet(old, new) 就是 CAS 的操作：

如果 counter 的值還是等於 old，就設為 new，否則什麼都不做。

🚧 四、CAS 的常見問題與限制

問題類型 說明
ABA 問題 值從 A ➝ B ➝ A，CAS 會誤判沒變。可用 AtomicStampedReference 解決。
自旋太久 高併發下 CAS 一直失敗，浪費 CPU（spin loop）
無法批次更新 只能針對單一變數操作，無法同時修改多個變數

📚 補充用法（其他類型）

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AtomicLong longValue = new AtomicLong(100);
longValue.addAndGet(5); // 加 5，變成 105

AtomicReference<String> str = new AtomicReference<>("Hello");
str.compareAndSet("Hello", "World"); // 成功替換