java并发原理实战(15）-- jdk8新增LongAdder原子性操作类原理

落日映苍穹つ 2023-07-03 08:27 10阅读 0赞

### LongAdder原理 ###

*   *  介绍
     *  接下来进行LongAdder代码简单分析

转载文章: [https://www.cnblogs.com/huangjuncong/p/9152510.html][https_www.cnblogs.com_huangjuncong_p_9152510.html]

## 介绍 ##

LongAdder类是JDK1.8新增的一个原子性操作类。AtomicLong通过CAS算法提供了非阻塞的原子性操作，相比受用阻塞算法的同步器来说性能已经很好了，但是JDK开发组并不满足于此，因为非常搞并发的请求下AtomicLong的性能是不能让人接受的。

如下AtomicLong 的incrementAndGet的代码，虽然AtomicLong使用CAS算法，但是CAS失败后还是通过无限循环的自旋锁不多的尝试，这就是高并发下CAS性能低下的原因所在。源码如下：

public final long incrementAndGet() { 
            for (;;) { 
                long current = get();
                long next = current + 1;
                if (compareAndSet(current, next))
                    return next;
            }
        }

在高并发下N多线程同时去操作一个变量会造成大量线程CAS失败，然后处于自旋状态，这样导致大大浪费CPU资源，降低了并发性。

既然AtomicLong性能问题是由于过多线程同时去竞争同一个变量的更新而降低的，那么如果把一个变量分解为多个变量，让同样多的线程去竞争多个资源，那么性能问题不久迎刃而解了吗？

没错，因此，JDK8 提供的LongAdder就是这个思路。下面通过图形来标示两者的不同，如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzIxMzQ5NjM1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

如上图 AtomicLong 是多个线程同时竞争同一个变量情景。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzIxMzQ5NjM1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

如上图所示，LongAdder则是内部维护多个Cell变量，每个Cell里面有一个初始值为0的long型变量，在同等并发量的情况下，争夺单个变量的线程会减少，这是变相的减少了争夺共享资源的并发量，另外多个线程在争夺同一个原子变量时候，

如果失败并不是自旋CAS重试，而是尝试获取其他原子变量的锁，最后当获取当前值时候是把所有变量的值累加后再加上base的值返回的。

LongAdder维护了要给延迟初始化的原子性更新数组和一个基值变量base数组的大小保持是2的N次方大小，数组表的下标使用每个线程的hashcode值的掩码表示，数组里面的变量实体是Cell类型。

Cell 类型是Atomic的一个改进，用来减少缓存的争用，对于大多数原子操作字节填充是浪费的，因为原子操作都是无规律的分散在内存中进行的，多个原子性操作彼此之间是没有接触的，但是原子性数组元素彼此相邻存放将能经常共享缓存行，也就是伪共享。所以这在性能上是一个提升。

另外由于Cells占用内存是相对比较大的，所以一开始并不创建，而是在需要时候再创建，也就是惰性加载，当一开始没有空间时候，所有的更新都是操作base变量。

## 接下来进行LongAdder代码简单分析 ##

这里我只是简单的介绍一下代码的实现，详细实现，大家可以翻看代码去研究。为了降低高并发下多线程对一个变量CAS争夺失败后大量线程会自旋而造成降低并发性能问题，LongAdder内部通过根据并发请求量来维护多个Cell元素(一个动态的Cell数组)来分担对单个变量进行争夺资源。

首先我们先看LongAdder的构造类图，如下图：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2JhaWR1XzIxMzQ5NjM1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

可以看到LongAdder继承自Striped64类，Striped64内部维护着三个变量，LongAdder的真实值其实就是base的值与Cell数组里面所有Cell元素值的累加，base是个基础值，默认是0，cellBusy用来实现自旋锁，当创建Cell元素或者扩容Cell数组时候用来进行线程间的同步。

@sun.misc.Contended static final class Cell { 
            volatile long value;
            Cell(long x) {  value = x; }
            final boolean cas(long cmp, long val) { 
                return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);
            }
    
            // Unsafe 技术
            private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
            private static final long valueOffset;
            static { 
                try { 
                    UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
                    Class<?> ak = Cell.class;
                    valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                        (ak.getDeclaredField("value"));
                } catch (Exception e) { 
                    throw new Error(e);
                }
            }
        }

正如上面的代码可以知道Cell的构造很简单，内部维护一个声明volatile的变量，这里声明为volatile是因为线程操作value变量时候没有使用锁，为了保证变量的内存可见性这里只有声明为volatile。另外这里就是先前文件所说的使用Unsafe类的方法来设置value的值

接下来进入LongAdder的源码里面去看几个重要的方法，如下：

\- 1.long sum() 方法：  
　　返回当前的值，内部操作是累加所有 Cell 内部的 value 的值后累加 base，如下代码，由于计算总和时候没有对 Cell 数组进行加锁，所以在累加过程中可能有其它线程对 Cell 中的值进行了修改，也有可能数组进行了扩容，所以 sum 返回的值并不是非常精确的，

返回值并不是一个调用 sum 方法时候的一个原子快照值。

源码如下：

public long sum() { 
            Cell[] as = cells; Cell a;
            long sum = base;
            if (as != null) { 
                for (int i = 0; i < as.length; ++i) { 
                    if ((a = as[i]) != null)
                        sum += a.value;
                }
            }
            return sum;
    }

2.void reset() 方法：重置操作，如下代码把 base 置为 0，如果 Cell 数组有元素，则元素值重置为 0。源码如下：

public void reset() { 
            Cell[] as = cells; Cell a;
            base = 0L;
            if (as != null) { 
                for (int i = 0; i < as.length; ++i) { 
                    if ((a = as[i]) != null)
                        a.value = 0L;
                }
            }
       }

3.long sumThenReset() 方法：是sum 的改造版本，如下代码，在计算 sum 累加对应的 cell 值后，把当前 cell 的值重置为 0，base 重置为 0。 当多线程调用该方法时候会有问题，比如考虑第一个调用线程会清空 Cell 的值，后一个线程调用时候累加时候累加的都是 0 值。

源码如下：

public long sumThenReset() { 
            Cell[] as = cells; Cell a;
            long sum = base;
            base = 0L;
            if (as != null) { 
                for (int i = 0; i < as.length; ++i) { 
                    if ((a = as[i]) != null) { 
                        sum += a.value;
                        a.value = 0L;
                    }
                }
            }
            return sum;
        }

4.long longValue() 等价于 sum()，源码如下：

public long longValue() { 
            return this.sum();
        }

5.void add(long x） 累加增量 x 到原子变量，这个过程是原子性的。源码如下：

public void add(long x) { 
            Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
            if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) { //(1)
                boolean uncontended = true;
                if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||//(2)
                    (a = as[getProbe() & m]) == null ||//(3)
                    !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))//(4)
                    longAccumulate(x, null, uncontended);//(5)
            }
        }
    
        final boolean casBase(long cmp, long val) { 
            return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, BASE, cmp, val);
        }

可以看到上面代码，当第一个线程A执行add时候，代码（1）会执行casBase方法，通过CAS设置base为 X， 如果成功则直接返回，这时候base的值为1。

假如多个线程同时执行add时候，同时执行到casBase则只有一个线程A成功返回，其他线程由于CAS失败执行代码（2），代码（2）是获取cells数组的长度，如果数组长度为0，则执行代码（5），否则cells长度不为0，说明cells数组有元素则执行代码（3），

代码（3）首先计算当前线程在数组中下标，然后获取当前线程对应的cell值，如果获取到则执行（4）进行CAS操作，CAS失败则执行代码（5）。

代码（5）里面是具体进行数组扩充和初始化，这个代码比较复杂，这里就不讲解了，有兴趣的可以进去看看。

--------------------

完

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