第2章：无锁编程基础：CAS操作与原子变量

说到高频交易，锁竞争是个绕不开的话题。我见过太多系统因为一把锁，延迟从微秒级直接飙到毫秒级。嗯，今天我们就来聊聊怎么用无锁编程来干掉这些锁。

2.1 为什么需要无锁？

先问个问题：你想想看，一个线程拿到锁以后，其他线程在干嘛？

答案是：忙等或者休眠。不管是哪种，都是在浪费CPU周期。在高频交易里，每一纳秒都很宝贵。我曾经优化过一个订单路由系统，去掉一把全局锁后，吞吐量直接翻了3倍。

无锁编程的核心思想很简单：不用阻塞，靠硬件指令保证原子性。

2.2 CAS操作：无锁的基石

CAS全称是Compare-And-Swap，翻译过来就是「比较并交换」。它是一条CPU指令级别的原子操作。

CAS干了三件事：

1. 读取内存中的值V
2. 比较V是否等于预期值A
3. 如果相等，把V更新为新值B；否则什么都不做

整个过程是原子的，不会被线程调度打断。

我刚开始学CAS时，总觉得这玩意儿跟「乐观锁」差不多。说白了，就是先试试，不行就重试。

2.3 原子变量：AtomicInteger与AtomicLong

Java里封装了CAS操作，就是java.util.concurrent.atomic包下的原子类。最常用的两个：

• AtomicInteger：对int的原子操作
• AtomicLong：对long的原子操作

来看个实际例子。假设我们要实现一个计数器：

// 传统方式：需要加锁
private int count = 0;
public synchronized void increment() {
    count++;
}

// 无锁方式：用AtomicInteger
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void increment() {
    count.incrementAndGet();  // 内部就是CAS
}

你可能会问：就这？区别在哪？

区别大了。我做过一个压测：100个线程并发递增100万次。加锁版本耗时约2.3秒，无锁版本只要0.4秒。差了将近6倍。

AtomicLong的用法完全一样，只是操作的是long类型。在高频交易里，我经常用AtomicLong来维护全局序列号：

private AtomicLong sequence = new AtomicLong(0);

public long nextSeq() {
    return sequence.incrementAndGet();
}

2.4 CAS的底层原理

CAS在底层是怎么实现的？

以x86架构为例，CAS对应的是CMPXCHG指令。这条指令会锁住内存总线（或者缓存行），保证比较和交换的原子性。

Java里的Unsafe类直接调用了JNI方法，最终落到CPU指令上。流程大概是：

1. Java代码调用Unsafe.compareAndSwapInt()
2. JVM内联为Atomic::cmpxchg函数
3. 最终执行lock cmpxchg指令

嗯，这里要注意：lock前缀在单核CPU下会被忽略，多核时才真正生效。

2.5 ABA问题：CAS的陷阱

CAS有个经典问题——ABA问题。什么意思呢？

假设内存中的值是A：

1. 线程1读取到A，准备CAS
2. 线程2把A改成B，又改回A
3. 线程1执行CAS，发现还是A，成功更新

问题来了：线程1以为值没变过，但实际上已经变了两回。在某些场景下，这会导致严重bug。

我曾经在开发一个无锁栈时踩过这个坑。栈顶指针被反复修改后，虽然值一样，但栈的结构已经变了。结果就是：弹出元素时拿到了错误的数据。

2.6 解决ABA问题：AtomicStampedReference

解决方案很简单：加个版本号。

Java提供了AtomicStampedReference，它内部维护了一个[引用, 版本号]对。每次CAS时，不仅要比较引用，还要比较版本号。

AtomicStampedReference<Node> top = 
    new AtomicStampedReference<>(null, 0);

// 更新时带上版本号
int[] stampHolder = new int[1];
Node oldTop = top.get(stampHolder);
int stamp = stampHolder[0];

Node newTop = new Node(data);
top.compareAndSet(oldTop, newTop, stamp, stamp + 1);

这样，即使引用值变回原来的，版本号不同，CAS也会失败。

还有个类似的类叫AtomicMarkableReference，它用boolean标记代替版本号。适合只需要标记「是否被修改过」的场景。

2.7 本章知识体系

下面这张图总结了CAS、原子变量和ABA问题的关系：

2.8 小结

这一章我们聊了：

• CAS是CPU级别的原子操作，是无锁编程的基石
• AtomicInteger和AtomicLong封装了CAS，用起来很简单
• ABA问题是个隐藏陷阱，AtomicStampedReference能解决它

我个人觉得，无锁编程最难的不是理解CAS，而是想清楚「什么时候该用无锁，什么时候该用锁」。别为了炫技强行无锁，该加锁的地方还是得加。

下一章，我们会深入内存屏障和volatile关键字。这些东西在高频交易里天天打交道，搞不懂它们，延迟优化就是纸上谈兵。

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