問題

（1）java8中為什麼要新增LongAdder？

（2）LongAdder的實現方式？

（3）LongAdder與AtomicLong的對比？

簡介

LongAdder是java8中新增的原子類，在多執行緒環境中，它比AtomicLong效能要高出不少，特別是寫多的場景。

它是怎麼實現的呢？讓我們一起來學習吧。

原理

LongAdder的原理是，在最初無競爭時，只更新base的值，當有多執行緒競爭時通過分段的思想，讓不同的執行緒更新不同的段，最後把這些段相加就得到了完整的LongAdder儲存的值。

原始碼分析

LongAdder繼承自Striped64抽象類，Striped64中定義了Cell內部類和各重要屬性。

主要內部類

// Striped64中的內部類，使用@sun.misc.Contended註解，說明裡面的值消除偽共享
@sun.misc.Contended static final class Cell {
    // 儲存元素的值，使用volatile修飾保證可見性
    volatile long value;
    Cell(long x) { value = x; }
    // CAS更新value的值
    final boolean cas(long cmp, long val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);
    }

    // Unsafe例項
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    // value欄位的偏移量
    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);
        }
    }
}
 

Cell類使用@sun.misc.Contended註解，說明是要避免偽共享的。

使用Unsafe的CAS更新value的值，其中value的值使用volatile修飾，保證可見性。

關於Unsafe的介紹請檢視【死磕 java魔法類之Unsafe解析】。

關於偽共享的介紹請檢視【雜談 什麼是偽共享（false sharing）？】。

主要屬性

// 這三個屬性都在Striped64中
// cells陣列，儲存各個段的值
transient volatile Cell[] cells;
// 最初無競爭時使用的，也算一個特殊的段
transient volatile long base;
// 標記當前是否有執行緒在建立或擴容cells，或者在建立Cell
// 通過CAS更新該值，相當於是一個鎖
transient volatile int cellsBusy;
 

最初無競爭或有其它執行緒在建立cells陣列時使用base更新值，有過競爭時使用cells更新值。

最初無競爭是指一開始沒有執行緒之間的競爭，但也有可能是多執行緒在操作，只是這些執行緒沒有同時去更新base的值。

有過競爭是指只要出現過競爭不管後面有沒有競爭都使用cells更新值，規則是不同的執行緒hash到不同的cell上去更新，減少競爭。

add(x)方法

add(x)方法是LongAdder的主要方法，使用它可以使LongAdder中儲存的值增加x，x可為正可為負。

public void add(long x) {
    // as是Striped64中的cells屬性
    // b是Striped64中的base屬性
    // v是當前執行緒hash到的Cell中儲存的值
    // m是cells的長度減1，hash時作為掩碼使用
    // a是當前執行緒hash到的Cell
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    // 條件1：cells不為空，說明出現過競爭，cells已經建立
    // 條件2：cas操作base失敗，說明其它執行緒先一步修改了base，正在出現競爭
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        // true表示當前競爭還不激烈
        // false表示競爭激烈，多個執行緒hash到同一個Cell，可能要擴容
        boolean uncontended = true;
        // 條件1：cells為空，說明正在出現競爭，上面是從條件2過來的
        // 條件2：應該不會出現
        // 條件3：當前執行緒所在的Cell為空，說明當前執行緒還沒有更新過Cell，應初始化一個Cell
        // 條件4：更新當前執行緒所在的Cell失敗，說明現在競爭很激烈，多個執行緒hash到了同一個Cell，應擴容
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            // getProbe()方法返回的是執行緒中的threadLocalRandomProbe欄位
            // 它是通過隨機數生成的一個值，對於一個確定的執行緒這個值是固定的
            // 除非刻意修改它
            (a = as[getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
            // 呼叫Striped64中的方法處理
            longAccumulate(x, null, uncontended);
    }
}

（1）最初無競爭時只更新base；

（2）直到更新base失敗時，建立cells陣列；

（3）當多個執行緒競爭同一個Cell比較激烈時，可能要擴容；

longAccumulate()方法

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                              boolean wasUncontended) {
    // 儲存執行緒的probe值
    int h;
    // 如果getProbe()方法返回0，說明隨機數未初始化
    if ((h = getProbe()) == 0) {
        // 強制初始化
        ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
        // 重新獲取probe值
        h = getProbe();
        // 都未初始化，肯定還不存在競爭激烈
        wasUncontended = true;
    }
    // 是否發生碰撞
    boolean collide = false;                // True if last slot nonempty
    for (;;) {
        Cell[] as; Cell a; int n; long v;
        // cells已經初始化過
        if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
            // 當前執行緒所在的Cell未初始化
            if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                // 當前無其它執行緒在建立或擴容cells，也沒有執行緒在建立Cell
                if (cellsBusy == 0) {       // Try to attach new Cell
                    // 新建一個Cell，值為當前需要增加的值
                    Cell r = new Cell(x);   // Optimistically create
                    // 再次檢測cellsBusy，並嘗試更新它為1
                    // 相當於當前執行緒加鎖
                    if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                        // 是否建立成功
                        boolean created = false;
                        try {               // Recheck under lock
                            Cell[] rs; int m, j;
                            // 重新獲取cells，並找到當前執行緒hash到cells陣列中的位置
                            // 這裡一定要重新獲取cells，因為as並不在鎖定範圍內
                            // 有可能已經擴容了，這裡要重新獲取
                            if ((rs = cells) != null &&
                                (m = rs.length) > 0 &&
                                rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                // 把上面新建的Cell放在cells的j位置處
                                rs[j] = r;
                                // 建立成功
                                created = true;
                            }
                        } finally {
                            // 相當於釋放鎖
                            cellsBusy = 0;
                        }
                        // 建立成功了就返回
                        // 值已經放在新建的Cell裡面了
                        if (created)
                            break;
                        continue;           // Slot is now non-empty
                    }
                }
                // 標記當前未出現衝突
                collide = false;
            }
            // 當前執行緒所在的Cell不為空，且更新失敗了
            // 這裡簡單地設為true，相當於簡單地自旋一次
            // 通過下面的語句修改執行緒的probe再重新嘗試
            else if (!wasUncontended)       // CAS already known to fail
                wasUncontended = true;      // Continue after rehash
            // 再次嘗試CAS更新當前執行緒所在Cell的值，如果成功了就返回
            else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :
                                         fn.applyAsLong(v, x))))
                break;
            // 如果cells陣列的長度達到了CPU核心數，或者cells擴容了
            // 設定collide為false並通過下面的語句修改執行緒的probe再重新嘗試
            else if (n >= NCPU || cells != as)
                collide = false;            // At max size or stale
            // 上上個elseif都更新失敗了，且上個條件不成立，說明出現衝突了
            else if (!collide)
                collide = true;
            // 明確出現衝突了，嘗試佔有鎖，並擴容
            else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                try {
                    // 檢查是否有其它執行緒已經擴容過了
                    if (cells == as) {      // Expand table unless stale
                        // 新陣列為原陣列的兩倍
                        Cell[] rs = new Cell[n << 1];
                        // 把舊陣列元素拷貝到新陣列中
                        for (int i = 0; i < n; ++i)
                            rs[i] = as[i];
                        // 重新賦值cells為新陣列
                        cells = rs;
                    }
                } finally {
                    // 釋放鎖
                    cellsBusy = 0;
                }
                // 已解決衝突
                collide = false;
                // 使用擴容後的新陣列重新嘗試
                continue;                   // Retry with expanded table
            }
            // 更新失敗或者達到了CPU核心數，重新生成probe，並重試
            h = advanceProbe(h);
        }
        // 未初始化過cells陣列，嘗試佔有鎖並初始化cells陣列
        else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
            // 是否初始化成功
            boolean init = false;
            try {                           // Initialize table
                // 檢測是否有其它執行緒初始化過
                if (cells == as) {
                    // 新建一個大小為2的Cell陣列
                    Cell[] rs = new Cell[2];
                    // 找到當前執行緒hash到陣列中的位置並建立其對應的Cell
                    rs[h & 1] = new Cell(x);
                    // 賦值給cells陣列
                    cells = rs;
                    // 初始化成功
                    init = true;
                }
            } finally {
                // 釋放鎖
                cellsBusy = 0;
            }
            // 初始化成功直接返回
            // 因為增加的值已經同時建立到Cell中了
            if (init)
                break;
        }
        // 如果有其它執行緒在初始化cells陣列中，就嘗試更新base
        // 如果成功了就返回
        else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :
                                    fn.applyAsLong(v, x))))
            break;                          // Fall back on using base
    }
}

（1）如果cells陣列未初始化，當前執行緒會嘗試佔有cellsBusy鎖並建立cells陣列；

（2）如果當前執行緒嘗試建立cells陣列時，發現有其它執行緒已經在建立了，就嘗試更新base，如果成功就返回；

（3）通過執行緒的probe值找到當前執行緒應該更新cells陣列中的哪個Cell；

（4）如果當前執行緒所在的Cell未初始化，就佔有佔有cellsBusy鎖並在相應的位置建立一個Cell；

（5）嘗試CAS更新當前執行緒所在的Cell，如果成功就返回，如果失敗說明出現衝突；

（5）當前執行緒更新Cell失敗後並不是立即擴容，而是嘗試更新probe值後再重試一次；

（6）如果在重試的時候還是更新失敗，就擴容；

（7）擴容時當前執行緒佔有cellsBusy鎖，並把陣列容量擴大到兩倍，再遷移原cells陣列中元素到新陣列中；

（8）cellsBusy在建立cells陣列、建立Cell、擴容cells陣列三個地方用到；

sum()方法

sum()方法是獲取LongAdder中真正儲存的值的大小，通過把base和所有段相加得到。

public long sum() {
    Cell[] as = cells; Cell a;
    // sum初始等於base
    long sum = base;
    // 如果cells不為空
    if (as != null) {
        // 遍歷所有的Cell
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            // 如果所在的Cell不為空，就把它的value累加到sum中
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
        }
    }
    // 返回sum
    return sum;
}

可以看到sum()方法是把base和所有段的值相加得到，那麼，這裡有一個問題，如果前面已經累加到sum上的Cell的value有修改，不是就沒法計算到了麼？

答案確實如此，所以LongAdder可以說不是強一致性的，它是最終一致性的。

LongAdder VS AtomicLong

直接上程式碼：

public class LongAdderVSAtomicLongTest {
    public static void main(String[] args){
        testAtomicLongVSLongAdder(1, 10000000);
        testAtomicLongVSLongAdder(10, 10000000);
        testAtomicLongVSLongAdder(20, 10000000);
        testAtomicLongVSLongAdder(40, 10000000);
        testAtomicLongVSLongAdder(80, 10000000);
    }

    static void testAtomicLongVSLongAdder(final int threadCount, final int times){
        try {
            System.out.println("threadCount：" + threadCount + ", times：" + times);
            long start = System.currentTimeMillis();
            testLongAdder(threadCount, times);
            System.out.println("LongAdder elapse：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");

            long start2 = System.currentTimeMillis();
            testAtomicLong(threadCount, times);
            System.out.println("AtomicLong elapse：" + (System.currentTimeMillis() - start2) + "ms");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void testAtomicLong(final int threadCount, final int times) throws InterruptedException {
        AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i=0;i<threadCount;i++){
            list.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j<times; j++){
                    atomicLong.incrementAndGet();
                }
            }));
        }

        for (Thread thread : list){
            thread.start();
        }

        for (Thread thread : list){
            thread.join();
        }
    }

    static void testLongAdder(final int threadCount, final int times) throws InterruptedException {
        LongAdder longAdder = new LongAdder();
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i=0;i<threadCount;i++){
            list.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j<times; j++){
                    longAdder.add(1);
                }
            }));
        }

        for (Thread thread : list){
            thread.start();
        }

        for (Thread thread : list){
            thread.join();
        }
    }
}

執行結果如下：

threadCount：1, times：10000000
LongAdder elapse：158ms
AtomicLong elapse：64ms
threadCount：10, times：10000000
LongAdder elapse：206ms
AtomicLong elapse：2449ms
threadCount：20, times：10000000
LongAdder elapse：429ms
AtomicLong elapse：5142ms
threadCount：40, times：10000000
LongAdder elapse：840ms
AtomicLong elapse：10506ms
threadCount：80, times：10000000
LongAdder elapse：1369ms
AtomicLong elapse：20482ms

可以看到當只有一個執行緒的時候，AtomicLong反而效能更高，隨著執行緒越來越多，AtomicLong的效能急劇下降，而LongAdder的效能影響很小。

總結

（1）LongAdder通過base和cells陣列來儲存值；

（2）不同的執行緒會hash到不同的cell上去更新，減少了競爭；

（3）LongAdder的效能非常高，最終會達到一種無競爭的狀態；

彩蛋

在longAccumulate()方法中有個條件是n >= NCPU就不會走到擴容邏輯了，而n是2的倍數，那是不是代表cells陣列最大隻能達到大於等於NCPU的最小2次方？

答案是明確的。因為同一個CPU核心同時只會執行一個執行緒，而更新失敗了說明有兩個不同的核心更新了同一個Cell，這時會重新設定更新失敗的那個執行緒的probe值，這樣下一次它所在的Cell很大概率會發生改變，如果執行的時間足夠長，最終會出現同一個核心的所有執行緒都會hash到同一個Cell（大概率，但不一定全在一個Cell上）上去更新，所以，這裡cells陣列中長度並不需要太長，達到CPU核心數足夠了。

比如，筆者的電腦是8核的，所以這裡cells的陣列最大隻會到8，達到8就不會擴容了。

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