LongAdder的实现原理是什么

LongAdder的实现原理是什么，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

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AtomicLong的实现原理图：

LongAdder是JDK8新增的原子操作类，它提供了一种新的思路，既然AtomicLong的性能瓶颈是由于大量线程同时更新一个变量造成的，那么能不能把这个变量拆分出来，变成多个变量，然后让线程去竞争这些变量，最后合并即可?LongAdder的设计精髓就在这里，通过将变量拆分成多个元素，降低该变量的并发度，最后进行合并元素，变相的减少了CAS的失败次数。

LongAdder的实现原理图：

常用方法

public class LongAdder extends Striped64 implements Serializable {     //构造方法     public LongAdder() {     }     //加1操作     public void increment();     //减1操作     public void decrement();     //获取原子变量的值     public long longValue();  }

下面给出一个简单的例子，模拟50线程同时进行更新

package com.xue.testLongAdder;  import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;  public class Main {     public static void main(String[] args) {         LongAdder adder = new LongAdder();         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(20);         for (int i = 0; i < 50; i++) {             Runnable r = () -> {                 adder.add(1);             };             threadPool.execute(r);         }         threadPool.shutdown();         //若关闭线程池后，所有任务执行完毕，则isTerminated()返回true         while (!threadPool.isTerminated()) {             System.out.println(adder.longValue());             break;         }     } }

输出结果是50

其中，如果对线程池不熟悉的同学，可以先参考我的另外一篇文章说说线程池

原理解析

类图

LongAdder内部维护了一个Cell类型的数组，其中Cell是Striped64中的一个静态内部类。

Cell类

abstract class Striped64 extends Number {        @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);         }     }  }

Cell用来封装被拆分出来的元素，内部用一个value字段保存当前元素的值，等到需要合并时，则累加所有Cell数组中的value。Cell内部使用CAS操作来更新value值，对CAS操作不熟悉的同学，可以参考我的另外一篇文章浅探CAS实现原理

可以注意到，Cell类被 @sun.misc.Contended注解修饰了，这个注解是为了解决伪共享问题的，什么是伪共享?

• 一个缓存行可以存储多个变量(存满当前缓存行的字节数);而CPU对缓存的修改又是以缓存行为最小单位的，在多线程情况下，如果需要修改“共享同一个缓存行的变量”，就会无意中影响彼此的性能，这就是伪共享(False  Sharing)。

对伪共享还不理解的同学，可以参考这位大佬的文章伪共享(False Sharing)底层原理及其解决方式

而LongAdder采用的是Cell数组，而数组元素是连续的，因此多个Cell对象共享一个缓存行的情况非常普遍，因此这里@sun.misc.Contended注解对单个Cell元素进行字节填充，确保一个Cell对象占据一个缓存行，即填充至64字节。

关于如何确定一个对象的大小，可以参考我的另外一篇文章对象的内存布局，怎样确定对象的大小，这样可以算出来，还需要填充多少字节。

longValue()

longValue()返回累加后的值

public long longValue() {      return sum();  }   public long sum() {      Cell[] as = cells; Cell a;      long sum = base;      //当Cell数组不为null时，进行累加后返回，否则直接返回基准数base      if (as != null) {          for (int i = 0; i < as.length; ++i) {              if ((a = as[i]) != null)                  sum += a.value;          }      }      return sum;  }

这可能是LongAdder中最简单的方法了，就不进行赘述了。什么，你要看复杂的?好的，这就来了。

increment()

public void increment() {        add(1L);     }   public void add(long x) {      Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;      /**       * 如果一下两种条件则继续执行if内的语句       * 1. cells数组不为null（不存在争用的时候，cells数组一定为null，一旦对base的cas操作失败，       * 才会初始化cells数组）       * 2. 如果cells数组为null，如果casBase执行成功，则直接返回，如果casBase方法执行失败       * （casBase失败，说明第一次争用冲突产生，需要对cells数组初始化）进入if内；       * casBase方法很简单，就是通过UNSAFE类的cas设置成员变量base的值为base+要累加的值       * casBase执行成功的前提是无竞争，这时候cells数组还没有用到为null，可见在无竞争的情况下是       * 类似于AtomticInteger处理方式，使用cas做累加。       */      if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {          //uncontended判断cells数组中，当前线程要做cas累加操作的某个元素是否#不#存在争用，          //如果cas失败则存在争用；uncontended=false代表存在争用，uncontended=true代表不存在争用。          boolean uncontended = true;          /**           *1. as == null ： cells数组未被初始化，成立则直接进入if执行cell初始化           *2. (m = as.length - 1) < 0： cells数组的长度为0           *条件1与2都代表cells数组没有被初始化成功，初始化成功的cells数组长度为2；           *3. (a = as[getProbe() & m]) == null ：如果cells被初始化，且它的长度不为0，           * 则通过getProbe方法获取当前线程Thread的threadLocalRandomProbe变量的值，初始为0，           * 然后执行threadLocalRandomProbe&(cells.length-1 ),相当于m%cells.length;           * 如果cells[threadLocalRandomProbe%cells.length]的位置为null，           * 这说明这个位置从来没有线程做过累加，           * 需要进入if继续执行，在这个位置创建一个新的Cell对象；           *4. !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))：           * 尝试对cells[threadLocalRandomProbe%cells.length]位置的Cell对象中的value值做累加操作,           * 并返回操作结果,如果失败了则进入if，重新计算一个threadLocalRandomProbe；           如果进入if语句执行longAccumulate方法,有三种情况           1. 前两个条件代表cells没有初始化，           2. 第三个条件指当前线程hash到的cells数组中的位置还没有其它线程做过累加操作，           3. 第四个条件代表产生了冲突,uncontended=false           **/          if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||                  (a = as[getProbe() & m]) == null ||                  !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))              longAccumulate(x, null, uncontended);      }  }

其中longAccumulate()的解析如下：

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn, boolean wasUncontended) {     //获取当前线程的threadLocalRandomProbe值作为hash值,如果当前线程的threadLocalRandomProbe为0，     // 说明当前线程是第一次进入该方法，则强制设置线程的threadLocalRandomProbe为ThreadLocalRandom类的成员     // 静态私有变量probeGenerator的值，后面会详细将hash值的生成;     //另外需要注意，如果threadLocalRandomProbe=0，代表新的线程开始参与cell争用的情况     //1.当前线程之前还没有参与过cells争用（也许cells数组还没初始化，进到当前方法来就是为了初始化cells数组     //后争用的）,     // 是第一次执行base的cas累加操作失败；     //2.或者是在执行add方法时，对cells某个位置的Cell的cas操作第一次失败，则将wasUncontended设置为false，     // 那么这里会将其重新置为true；第一次执行操作失败；     //凡是参与了cell争用操作的线程threadLocalRandomProbe都不为0；     int h;     if ((h = getProbe()) == 0) {         //初始化ThreadLocalRandom;         ThreadLocalRandom.current(); // force initialization         //将h设置为0x9e3779b9         h = getProbe();         //设置未竞争标记为true         wasUncontended = true;     }     //cas冲突标志，表示当前线程hash到的Cells数组的位置，做cas累加操作时与其它线程发生了冲突，cas失败；     // collide=true代表有冲突，collide=false代表无冲突     boolean collide = false;     for (;;) {         Cell[] as; Cell a; int n; long v;         //这个主干if有三个分支         //1.主分支一：处理cells数组已经正常初始化了的情况（这个if分支处理add方法的四个条件中的3和4）         //2.主分支二：处理cells数组没有初始化或者长度为0的情况；（这个分支处理add方法的四个条件中的1和2）         //3.主分支三：处理如果cell数组没有初始化，并且其它线程正在执行对cells数组初始化的操作，         // 及cellbusy=1；         // 则尝试将累加值通过cas累加到base上         //先看主分支一         if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {             /**              *内部小分支一：这个是处理add方法内部if分支的条件3：如果被hash到的位置为null，              * 说明没有线程在这个位置设置过值，              * 没有竞争，可以直接使用，则用x值作为初始值创建一个新的Cell对象，              * 对cells数组使用cellsBusy加锁，              * 然后将这个Cell对象放到cells[m%cells.length]位置上              */             if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {                 //cellsBusy == 0 代表当前没有线程cells数组做修改                 if (cellsBusy == 0) {                     //将要累加的x值作为初始值创建一个新的Cell对象，                     Cell r = new Cell(x);                     //如果cellsBusy=0无锁，则通过cas将cellsBusy设置为1加锁                     if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {                         //标记Cell是否创建成功并放入到cells数组被hash的位置上                         boolean created = false;                         try {                             Cell[] rs; int m, j;                             //再次检查cells数组不为null，且长度不为空，且hash到的位置的Cell为null                             if ((rs = cells) != null &&                                     (m = rs.length) > 0 &&                                     rs[j = (m - 1) & h] == null) {                                 //将新的cell设置到该位置                                 rs[j] = r;                                 created = true;                             }                         } finally {                             //去掉锁                             cellsBusy = 0;                         }                         //生成成功，跳出循环                         if (created)                             break;                         //如果created为false，说明上面指定的cells数组的位置cells[m%cells.length]                         // 已经有其它线程设置了cell了，                         // 继续执行循环。                         continue;                     }                 }                 //如果执行的当前行，代表cellsBusy=1，有线程正在更改cells数组，代表产生了冲突，将collide设置为false                 collide = false;                  /**                  *内部小分支二：如果add方法中条件4的通过cas设置cells[m%cells.length]位置的Cell对象中的                  * value值设置为v+x失败,                  * 说明已经发生竞争，将wasUncontended设置为true，跳出内部的if判断，                  * 最后重新计算一个新的probe，然后重新执行循环;                  */             } else if (!wasUncontended)                 //设置未竞争标志位true，继续执行，后面会算一个新的probe值，然后重新执行循环。                 wasUncontended = true;             /**              *内部小分支三：新的争用线程参与争用的情况：处理刚进入当前方法时threadLocalRandomProbe=0的情况，              * 也就是当前线程第一次参与cell争用的cas失败，这里会尝试将x值加到cells[m%cells.length]              * 的value ，如果成功直接退出              */             else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :                     fn.applyAsLong(v, x))))                 break;             /**              *内部小分支四：分支3处理新的线程争用执行失败了，这时如果cells数组的长度已经到了最大值              * （大于等于cup数量），              * 或者是当前cells已经做了扩容，则将collide设置为false，后面重新计算prob的值*/             else if (n >= NCPU || cells != as)                 collide = false;             /**              *内部小分支五：如果发生了冲突collide=false，则设置其为true；会在最后重新计算hash值后，              * 进入下一次for循环              */             else if (!collide)                 //设置冲突标志，表示发生了冲突，需要再次生成hash，重试。                 // 如果下次重试任然走到了改分支此时collide=true，!collide条件不成立，则走后一个分支                 collide = true;             /**              *内部小分支六：扩容cells数组，新参与cell争用的线程两次均失败，且符合库容条件，会执行该分支              */             else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {                 try {                     //检查cells是否已经被扩容                     if (cells == as) {      // Expand table unless stale                         Cell[] rs = new Cell[n << 1];                         for (int i = 0; i < n; ++i)                             rs[i] = as[i];                         cells = rs;                     }                 } finally {                     cellsBusy = 0;                 }                 collide = false;                 continue;                   // Retry with expanded table             }             //为当前线程重新计算hash值             h = advanceProbe(h);              //这个大的分支处理add方法中的条件1与条件2成立的情况，如果cell表还未初始化或者长度为0，             // 先尝试获取cellsBusy锁。         }else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {             boolean init = false;             try {  // Initialize table                 //初始化cells数组，初始容量为2,并将x值通过hash&1，放到0个或第1个位置上                 if (cells == as) {                     Cell[] rs = new Cell[2];                     rs[h & 1] = new Cell(x);                     cells = rs;                     init = true;                 }             } finally {                 //解锁                 cellsBusy = 0;             }             //如果init为true说明初始化成功，跳出循环             if (init)                 break;         }         /**          *如果以上操作都失败了，则尝试将值累加到base上；          */         else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))              // Fall back on using base             break;     } }

看完上述内容，你们掌握LongAdder的实现原理是什么的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注创新互联行业资讯频道，感谢各位的阅读！