第4章 Java并发包中原子操作类原理剖析

4.1 原子变量操作类

JUC并发包中包含有AtomicInteger、AtomicLong和AtomicBoolean等原子性操作类，它们的原理类似。AtomicLong是原子性递增或者递减类，其内部使用Unsafe来实现。

在没有原子类的情况下，实现计数器需要使用一定的同步措施，比如使用synchronized关键字等，但是这些都是阻塞算法，对性能有一定损耗，原子操作类都使用CAS非阻塞算法，性能更好。但是在高并发情况下AtomicLong还会存在性能问题。JDK 8提供了一个在高并发下性能更好的LongAdder类

4.2 JDK 8新增的原子操作类LongAdder

4.2.1 LongAdder简单介绍

AtomicLong通过CAS提供了非阻塞的原子性操作，相比使用阻塞算法的同步器来说它的性能已经很好了，但是JDK开发组并不满足于此。使用AtomicLong时，在高并发下大量线程会同时去竞争更新同一个原子变量，但是由于同时只有一个线程的CAS操作会成功，这就造成了大量线程竞争失败后，会通过无限循环不断进行自旋尝试CAS的操作，而这会白白浪费CPU资源。

LongAdder在内部维护多个Cell变量，每个Cell里面有一个初始值为0的long型变量，这样，在同等并发量的情况下，争夺单个变量更新操作的线程量会减少，这变相地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Cell原子变量时如果失败了，它并不是在当前Cell变量上一直自旋CAS重试，而是尝试在其他Cell的变量上进行CAS尝试，这个改变增加了当前线程重试CAS成功的可能性。最后，在获取LongAdder当前值时，是把所有Cell变量的value值累加后再加上base返回的。

LongAdder维护了一个延迟初始化的原子性更新数组（默认情况下Cell数组是null）和一个基值变量base。由于Cells占用的内存是相对比较大的，所以一开始并不创建它，而是在需要时创建，也就是惰性加载。当一开始判断Cell数组是null并且并发线程较少时，所有的累加操作都是对base变量进行的。保持Cell数组的大小为2的N次方，在初始化时Cell数组中的Cell元素个数为2，数组里面的变量实体是Cell类型。Cell类型是AtomicLong的一个改进，用来减少缓存的争用，也就是解决伪共享问题。

LongAdder代码分析

为了解决高并发下多线程对一个变量CAS争夺失败后进行自旋而造成的降低并发性能问题，LongAdder在内部维护多个Cell元素（一个动态的Cell数组）来分担对单个变量进行争夺的开销。下面围绕以下话题从源码角度来分析LongAdder的实现：

• （1）LongAdder的结构是怎样的？
  • LongAdder类继承自Striped64类，在Striped64内部维护着三个变量base，cellsBusy，cells。LongAdder的真实值其实是base的值与Cell数组里面所有Cell元素中的value值的累加，base是个基础值，默认为0。cellsBusy用来实现自旋锁，状态值只有0和1，当创建Cell元素，扩容Cell数组或者初始化Cell数组时，使用CAS操作该变量来保证同时只有一个线程可以进行其中之一的操作。
• （2）当前线程应该访问Cell数组里面的哪一个Cell元素？
  • 在add()方法中通过getProbe（）& m进行计算的，其中m是当前cells数组元素个数-1。
• （3）如何初始化Cell数组？
  • 初始化cells数组元素个数为2，然后使用h&1计算当前线程应该访问celll数组的哪个位置，也就是使用当前线程的threadLocalRandomProbe变量值&（cells数组元素个数-1），然后标示cells数组已经被初始化。
• （4）Cell数组如何扩容？
  • 将容量扩充为之前的2倍，并复制Cell元素到扩容后数组。另外，扩容后cells数组里面除了包含复制过来的元素外，还包含其他新元素，这些元素的值目前还是null。
• （5）线程访问分配的Cell元素有冲突后如何处理？
  • 对CAS失败的线程重新计算当前线程的随机值threadLocalRandomProbe，以减少下次访问cells元素时的冲突机会。
• （6）如何保证线程操作被分配的Cell元素的原子性？
  • Cell类内部维护一个被声明为volatile的变量，这里声明为volatile是因为线程操作value变量时没有使用锁，为了保证变量的内存可见性这里将其声明为volatile的。另外该类中的cas函数通过CAS操作，保证了当前线程更新时被分配的Cell元素中value值的原子性。

4.3 LongAccumulator类原理探究

LongAdder类是LongAccumulator的一个特例，只是后者提供了更加强大的功能，可以让用户自定义累加规则。