【Java源码阅读系列19】深度解读Java AtomicReference 源码
AtomicReference 是 Java java.util.concurrent.atomic 包中的核心类之一，用于在多线程环境下实现线程安全的对象引用原子操作。本文将结合 JDK 8 源码，从底层实现、核心方法、设计模式等角度深入解析其原理。
一、类定义与核心字段
1. 类泛型与继承
AtomicReference 是泛型类（java.io.Serializable（支持序列化）：
public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable {
// ... 核心字段与方法 ...
}
2. 核心字段：Unsafe 与 CAS 基础
AtomicReference 的原子性依赖以下核心字段：
private static final Unsafe unsafe：通过Unsafe.getUnsafe()获取的底层操作工具类，提供硬件级别的原子操作（如CAS）。private static final long valueOffset：通过Unsafe.objectFieldOffset反射获取的value字段在内存中的偏移量（用于CAS操作定位内存地址）。private volatile V value：实际存储对象引用的变量，volatile保证多线程间的可见性（修改后立即被其他线程感知）。
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
// 反射获取 value 字段的内存偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) {
throw new Error(ex);
}
}
private volatile V value; // 实际存储的对象引用，volatile 保证可见性
二、核心方法解析：对象引用的原子操作
AtomicReference 的原子性通过 CAS（Compare-And-Swap）算法实现，其逻辑与 AtomicInteger 类似，但操作对象是对象引用而非基本类型。
1. 基础操作：get/set
get()：直接返回value的当前引用（依赖volatile保证可见性）。set(V newValue)：直接修改value（同样依赖volatile保证可见性）。lazySet(V newValue)：通过Unsafe.putOrderedObject实现延迟设置，不保证立即对其他线程可见（适用于非关键的最终一致性场景）。
2. 原子更新操作：CAS 直接调用
compareAndSet(V expect, V update) 是核心原子方法，直接调用 Unsafe.compareAndSwapObject 实现 CAS：
public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}
- 参数：
expect是预期的旧引用，update是目标新引用。 - 返回值：更新成功返回
true，否则false（说明有其他线程修改了引用）。
3. 原子替换与获取：getAndSet
getAndSet(V newValue) 原子性地设置新值并返回旧值，底层调用 Unsafe.getAndSetObject：
@SuppressWarnings("unchecked")
public final V getAndSet(V newValue) {
return (V)unsafe.getAndSetObject(this, valueOffset, newValue);
}
Unsafe.getAndSetObject 的底层逻辑是循环执行 CAS，直到成功替换引用。
4. JDK8 新增：函数式原子更新
JDK8 引入了 UnaryOperator 和 BinaryOperator 函数式接口，支持自定义原子更新逻辑，例如 getAndUpdate：
public final V getAndUpdate(UnaryOperator<V> updateFunction) {
V prev, next;
do {
prev = get(); // 获取当前引用
next = updateFunction.apply(prev); // 应用自定义函数计算新引用
} while (!compareAndSet(prev, next)); // 循环 CAS 直到成功
return prev; // 返回旧引用
}
- 设计思想：将原子操作的骨架（循环
CAS）固定，具体的更新逻辑由用户传入的函数决定，符合模板方法模式（Template Method Pattern）。
三、设计模式分析
AtomicReference的实现中隐含了两种关键设计模式：
1. 代理模式（Proxy Pattern）
AtomicReference 的大部分原子方法（如 compareAndSet、getAndSet）本质上是对 Unsafe 类对应方法的代理。Unsafe 提供了底层的 CAS 操作，而 AtomicReference 封装了这些操作，提供更易用的业务接口。
优点：隔离底层实现细节，降低用户使用复杂度。
2. 模板方法模式（Template Method Pattern）
JDK8 新增的函数式方法（如 getAndUpdate、accumulateAndGet）定义了原子操作的骨架流程（循环获取当前引用 → 计算新引用 → CAS 更新），具体的计算逻辑由用户传入的函数式接口实现。
优点：灵活扩展原子操作的逻辑，同时保证原子性的核心流程不变。
四、CAS 的优缺点与适用场景
优点
- 无锁高效：相比
synchronized的阻塞机制，CAS是乐观锁，避免了线程上下文切换开销。 - 轻量级原子性：适用于短时间、低竞争的对象引用原子更新（如状态标志、缓存条目替换）。
缺点
- ABA 问题：若一个引用从
A→B→A，CAS会误判为未修改。可通过AtomicStampedReference（带版本号）或AtomicMarkableReference（带标记）解决。 - 高竞争失效：在高并发场景下，
CAS可能频繁重试，导致性能下降（此时synchronized可能更优）。
五、总结
AtomicReference 是 Java 并发编程中实现对象引用原子操作的核心工具，其设计思想可总结为：
通过 volatile 保证可见性 + Unsafe 提供的 CAS 保证原子性，结合代理模式和模板方法模式，封装出易用、高效的线程安全对象引用操作类。理解其源码有助于深入掌握 Java 并发编程的底层逻辑，以及无锁算法在对象引用场景中的应用。