LongAdder为什么在高并发下保持良好性能？LongAdder源码详细分析

一、LongAdder概述

1、为什么用LongAdder

《阿里巴巴Java开发手册中》：

【参考】 volatile 解决多线程内存不可见问题。对于一写多读，是可以解决变量同步问题，但是如果多写，同样无法解决线程安全问题。
说明： 如果是 count++操作，使用如下类实现： AtomicInteger count = new AtomicInteger();
count.addAndGet(1); 如果是 JDK8，推荐使用 LongAdder 对象，比 AtomicLong 性能更好（减少乐观锁的重试次数）。

在低并发下，LongAdder和AtomicLong具有相似的特征。但在高并发下，LongAdder的预期吞吐量要高得多，但代价是空间消耗更高。

2、LongAdder使用

Java-Atomic原子操作类详解及源码分析，Java原子操作类进阶，LongAdder源码分析

3、LongAdder继承关系图

LongAdder继承了Striped64，而Striped64同样也是JUC包下一员。LongAdder有着这么特殊的特性，是离不开Striped64的。

4、总述：LongAdder为什么这么快

LongAdder的基本思路就是分散热点，将value值分散到一个Cell数组中，不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的那个值进行CAS操作，这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多。如果要获取真正的long值，只要将各个槽中的变量值累加返回。

sum()会将所有Cell数组中的value和base累加作为返回值，核心的思想就是将之前的AtomicLong一个value的更新压力分散到多个value中区，从而降级更新热点。

这也是“分段锁”的实现思想。

5、基本原理

LongAdder在无竞争的情况，跟AtomicLong一样，对同一个base进行操作，当出现竞争关系时则是采用分散热点的做法，用空间换时间，用一个数组cells，将一个value拆分进这个数组cells。多个线程需要同时对value进行操作时候，可以对线程id进行hash得到hash值，再根据hash值映射到这个数组cells的某个下标，再对该下标所对应的值进行自增操作。当所有线程操作完毕，将数组cells的所有值和base都加起来作为最终结果。（注：多个线程是有可能操作同一个cell的，因为其hash映射有可能相同）

二、Striped64源码分析

1、Striped64重要概念

2、Striped64常用变量或方法

base：类似于AtomicLong中全局的value值，在没有竞争情况下数据直接累加到base上，或者cells扩容时，也需要将数据写入到base上。

collide：表示扩容意向，false一定不会扩容，true可能扩容。

cellsBusy：初始化cells或者扩容cells需要获取锁，0表示无所状态，1表示其他线程已经持有了锁。

casCellsBusy()：通过CAS操作修改cellsBusy的值，CAS成功表示获取锁，返回true。

NCPU：当前计算机CPU数量，Cell数组扩容时会使用到。

getProbe()：获取当前线程的hash值。

advanceProbe()：重置当前线程的hash值。

3、静态代码块初始化UNSAFE

下面的源码中我们可以看出，Striped64在静态代码块中初始化了Unsafe类，并且初始化了Unsafe类的对于对象属性的更新，其中包括base、cellsBusy、threadLocalRandomProbe，用于线程安全的更新Striped64的属性。

// Unsafe mechanics
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long BASE;
private static final long CELLSBUSY;
private static final long PROBE;
static {
    try {
        UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
        Class<?> sk = Striped64.class;
        BASE = UNSAFE.objectFieldOffset
            (sk.getDeclaredField("base"));
        CELLSBUSY = UNSAFE.objectFieldOffset
            (sk.getDeclaredField("cellsBusy"));
        Class<?> tk = Thread.class;
        PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
            (tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
    } catch (Exception e) {
        throw new Error(e);
    }
}

4、casBase方法

casBase用于CAS更新base字段，通过预期值来更新Striped64中的base字段：

// java.util.concurrent.atomic.Striped64#casBase
finalboolean casBase(long cmp, long val) {
    return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, BASE, cmp, val);
}

5、casCellsBusy方法

casCellsBusy()：通过CAS操作修改cellsBusy的值，CAS成功表示获取锁，返回true。

// java.util.concurrent.atomic.Striped64#casCellsBusy
final boolean casCellsBusy() {
    return UNSAFE.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1);
}

6、getProbe方法

该方法获取线程的hash值（probe值）

static final int getProbe() {
    return UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE);
}

7、longAccumulate方法

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                          boolean wasUncontended) {
    // 存储线程的probe值
    int h;
    // 如果getProbe() 为0 ，说明随机数未初始化（极端情况）
    if ((h = getProbe()) == 0) {
    	// 使用ThreadLocalRandom 为当前线程重新计算一个hash值，强制初始化
        ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
        // 重新获取probe值， hash值被重置就好比一个全新的线程一样，所以设置了wasUncontended竞争状态为true
        h = getProbe();
        // 重新计算了当前线程的hash后，认为此次不算是一次竞争，都未初始化，肯定还不存在竞争激烈，wasUncontended竞争状态设为true
        wasUncontended = true;
    }

    boolean collide = false;                // True if last slot nonempty
    // 自选，共分三个分支
    for (;;) {
        Cell[] as; Cell a; int n; long v;
        // CASE1：表示cells数组已经被初始化了
        if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
            // ...
        }
        // CASE2：cells数组没有加锁且没有初始化，则尝试对它进行加锁，并初始化
        else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
            // ...
        }
        // CASE3：兜底，cells正在初始化，则尝试直接在基数base上进行累加
        else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :
                                    fn.applyAsLong(v, x))))
            break;                          // Fall back on using base
    }
}

三、深入分析LongAdder的核心add方法

1、单线程更新LongAdder的值

// java.util.concurrent.atomic.LongAdder#add
public void add(long x) {
	/**
		as表示cells（Striped64的cells数组）的引用；
		b表示获取的Striped64的base属性；
		v表示当前线程hash到Cell中存储的值；
		m表示cells数组的长度-1，hash时作为掩码使用；
		a表示当前线程命中的cell单元格
	*/
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    // cells是Striped64中的cells，初始是null
    // 当没有线程竞争时，casBase方法更新base值，是可以更新成功的，if条件不成立，方法执行完成
    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);
    }
}

上面我们分析到，当单线程更新LongAdder的值时，由于没有线程竞争，直接通过cas更新base的值，更新成功后方法直接结束。

2、多线程竞争创建cells数组

public void add(long x) {
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    // 当多个线程执行casBase时，会有可能cas失败，此时就进入if逻辑
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
    	// uncontended默认为true，无竞争，false表示竞争激烈，多个线程hash到同一个Cell，可能要扩容
        boolean uncontended = true;
        // 首次进来时，as为null，进入longAccumulate方法
        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);
    }
}

longAccumulate方法较长，for(;;)中，有个if：

if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
// ...

// CASE2：cells数组没有加锁且没有初始化，则尝试对它进行加锁，并初始化
// cellsBusy初始就是0， cells == as == null，并且casCellsBusy拿到锁定
else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
    boolean init = false;
    try {                           // Initialize table
        if (cells == as) { // 双重检查，保证线程安全
        	// 创建Cell[2]数组
            Cell[] rs = new Cell[2];
            // 计算下标，初始化一个cell，初始值为x
            rs[h & 1] = new Cell(x);
            cells = rs;
            init = true;
        }
    } finally {
        cellsBusy = 0;
    }
    if (init)
        break;
}

到此，我们知道，当有线程cas竞争之后，会初始化2个长度的Cell数组，并创建一个Cell。

3、有了Cells之后，再次进行add

public void add(long x) {
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    // cells 不再为null了，而是2个长度的Cell数组
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        boolean uncontended = true;
        // as 不为null
        // as.length 为2 (m = as.length - 1) < 0也不成立，正常不会成立，相当于as == null的兜底
        // as[getProbe() & m]) 表示cells数组的该槽位为null，还没初始化，就会执行longAccumulate初始化一个Cell
        // 如果上述还不成立，a.cas(v = a.value, v + x) 直接执行Cell中的value的cas操作，如果成功就退出，如果cas失败就执行longAccumulate，并且将cas的结果赋值给uncontended
        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);
    }
}

for (;;) {
    Cell[] as; Cell a; int n; long v;
    // CASE1：cells已经被初始化了
    if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
    	// if总结：判断当前线程hash后指向的数据位置元素是否为空，为空则将Cell数据放入数组跳出循环，不为空则继续循环
        if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) { // 当前线程的hash值运算后映射得到的Cell单元为null，说明该Cell没有被使用
            if (cellsBusy == 0) {       // Try to attach new Cell Cell[]数组没有正在扩容（没有锁）
                Cell r = new Cell(x);   // Optimistically create 创建一个Cell单元
                if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) { // 尝试加锁，成功后cellsBusy == 1
                    boolean created = false;
                    try {               // Recheck under lock 在有锁的情况下再进行一次检查
                        Cell[] rs; int m, j; // 将Cell单元附到Cell[]数组
                        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;
        }
        // wasUncontended表示cells初始化后，当前线程竞争修改失败
        // 若wasUncontended = false，这里只是重新设置了这个值为true，紧接着执行advanceProbe(h)重置当前线程hash，重新循环
        else if (!wasUncontended)       // CAS already known to fail
            wasUncontended = true;      // Continue after rehash
        // 说明当前线程对应的数组中有了数据，也重置过hash值，这时通过CAS操作尝试对当前数中的value值进行累加x操作，如果CAS成功则直接跳出循环
        else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :
                                     fn.applyAsLong(v, x))))
            break;
        // 如果n大于CPU最大容量，不可扩容，紧接着执行advanceProbe(h)重置当前线程hash，重新循环
        else if (n >= NCPU || cells != as)
            collide = false;            // At max size or stale
        // 如果扩容意向collide是false，则修改它为true，然后执行advanceProbe(h)重置当前线程hash，重新循环
        // 如果当前数组长度已经大于了CPU核数，就会再次设置扩容意向collide = false （见上一步）
        else if (!collide)
            collide = true;
        // 加锁、扩容
        else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
            try { // 当前的cells数组和最先赋值的as是同一个，表示没有被其他线程扩容过
                if (cells == as) {      // Expand table unless stale
                    Cell[] rs = new Cell[n << 1]; // 按位左移1位，扩容大小为之前容量的2倍
                    for (int i = 0; i < n; ++i)
                        rs[i] = as[i]; // 扩容后再将之前数组的元素拷贝到新数组
                    cells = rs;
                }
            } finally {
                cellsBusy = 0; // 释放锁
            }
            collide = false; // 设置扩容状态，继续循环
            continue;                   // Retry with expanded table
        }
        // 兜底：重置当前线程的hash，重新循环
        h = advanceProbe(h);
    }
    else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
    // ...

4、总结

四、LongAdder的sum方法求和

sum()会将所有Cell数组中的value和base累加作为返回值。在没有并发更新的情况下调用将返回准确的结果，但在计算总和时发生的并发更新可能不会合并。

sum执行时，并没有限制对base和cells的更新。所以LongAdder不是强一致性的，它是最终一致性的。

首先，最终返回的sum局部变量，初始被赋值为base，而最终返回时，很可能base已经被更新了，而此时局部变量sum不会更新，造成不一致。其次，这里对cell的读取页无法保证是最后一次写入的值。所以，sum方法在没有并发的情况下，可以获得正确的结果。

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; // base + 所有cell中的value
        }
    }
    return sum;
}

参考资料

https://zxbcw.cn/post/214652/