LongAdder原理解析

原文链接： https://www.jianshu.com/p/b3c5b05055de

一般都是CAS对一个变量进行操作,但Doug Lea大神觉得不满足,又写了一个LongAdder

先看下传统的

 

AtomicLong的原理.png

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再来看下LongAdder的

 

LongAdder原理图.png

即将一个变量进一步拆分到一个base数组中,减少资源竞争

@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 mechanics
        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);
            }
        }
    }

• 类似于AtomicLong，利用CAS来更新变量
• @Contended避免value伪共享

将多个cell数组中的值加起来的和就类似于AtomicLong中的value

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;
    }

increment()的调用链

java.util.concurrent.atomic.LongAdder.increment
  ->java.util.concurrent.atomic.LongAdder.add

多个线程操作的时候.png

add()方法如下

public void add(long x) {
        Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
        if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
            boolean uncontended = true;
            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);
        }
    }

第一次Cell数组为空,进入casBase()

final boolean casBase(long cmp, long val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, BASE, cmp, val);
    }

即原子更新,成功则直接返回,失败则说明出现并发了
if的三个判断

• 数组为空
• 或者数组长度小于1
• 或者位置上没有Cell对象,即getProbe()&m其实相当于hashMap里面的tab[i = (n - 1) & hash]
• 或者修改cell的值失败

才会最终进入到longAccumulate()方法中

小结

• 如果Cells表为空，尝试用CAS更新base字段，成功则退出；
• 如果Cells表为空，CAS更新base字段失败，出现竞争，uncontended为true，调用longAccumulate；
• 如果Cells表非空，但当前线程映射的槽为空，uncontended为true，调用longAccumulate；
• 如果Cells表非空，且前线程映射的槽非空，CAS更新Cell的值，成功则返回，否则，uncontended设为false，调用longAccumulate。

看到这里大概应该知道为什么LongAdder会比AtomicLong更高效了，没错，唯一会制约AtomicLong高效的原因是高并发，高并发意味着CAS的失败几率更高， 重试次数更多，越多线程重试，CAS失败几率又越高，变成恶性循环，AtomicLong效率降低。 那怎么解决？ LongAdder给了我们一个非常容易想到的解决方案：减少并发，将单一value的更新压力分担到多个value中去，降低单个value的 “热度”，分段更新！！！

这样，线程数再多也会分担到多个value上去更新，只需要增加value就可以降低 value的 “热度” AtomicLong中的 恶性循环不就解决了吗？ cells 就是这个 “段” cell中的value 就是存放更新值的， 这样，当我需要总数时，把cells 中的value都累加一下不就可以了么！！

在看看add方法中的代码，casBase方法可不可以不要，直接分段更新,上来就计算 索引位置，然后更新value？

不是不行，而是有所考虑的,因为，casBase操作等价于AtomicLong中的CAS操作，要知道，LongAdder这样的处理方式是有坏处的，分段操作必然带来空间上的浪费，可以空间换时间，但是，能不换就不换，空间时间都节约.

casBase操作保证了在低并发时，不会立即进入分支做分段更新操作，因为低并发时，casBase操作基本都会成功，只有并发高到一定程度了，才会进入分支

longAccumulate()方法如下

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                              boolean wasUncontended) {
        int h;
        if ((h = getProbe()) == 0) {
            ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
            h = getProbe();
            wasUncontended = true;
        }
        boolean collide = false;                // True if last slot nonempty
        for (;;) {
            Cell[] as; Cell a; int n; long v;
            if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
                if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                    if (cellsBusy == 0) {       // Try to attach new Cell
                        Cell r = new Cell(x);   // Optimistically create
                        if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                            boolean created = false;
                            try {               // Recheck under lock
                                Cell[] rs; int m, j;
                                if ((rs = cells) != null &&
                                    (m = rs.length) > 0 &&
                                    rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                    rs[j] = r;
                                    created = true;
                                }
                            } finally {
                                cellsBusy = 0;
                            }
                            if (created)
                                break;
                            continue;           // Slot is now non-empty
                        }
                    }
                    collide = false;
                }
                else if (!wasUncontended)       // CAS already known to fail
                    wasUncontended = true;      // Continue after rehash
                else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :
                                             fn.applyAsLong(v, x))))
                    break;
                else if (n >= NCPU || cells != as)
                    collide = false;            // At max size or stale
                else if (!collide)
                    collide = true;
                else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                    try {
                        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
                }
                h = advanceProbe(h);
            }
            else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
                boolean init = false;
                try {                           // Initialize table
                    if (cells == as) {
                        Cell[] rs = new Cell[2];
                        rs[h & 1] = new Cell(x);
                        cells = rs;
                        init = true;
                    }
                } finally {
                    cellsBusy = 0;
                }
                if (init)
                    break;
            }
            else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :
                                        fn.applyAsLong(v, x))))
                break;                          // Fall back on using base
        }
    }

longAccumulate.png

• 如果Cells表为空，尝试获取锁之后初始化表（初始大小为2）；
• 如果Cells表非空，对应的Cell为空，自旋锁未被占用，尝试获取锁，添加新的Cell；
• 如果Cells表非空，找到线程对应的Cell，尝试通过CAS更新该值；
• 如果Cells表非空，线程对应的Cell CAS更新失败，说明存在竞争，尝试获取自旋锁之后扩容,将cells数组扩大，降低每个cell的并发量后再试