深入理解CASAtomic原子操作类详解

news2024/12/22 22:16:47

1.CAS介绍

什么是 CAS

CAS(Compare And Swap,比较与交换),是非阻塞同步的实现原理,它是CPU硬件层面的一种指令,从CPU层面能保证"比较与交换"两个操作的原子性。CAS指令操作包括三个参数:内存值(内存地址值)V、预期值E、新值N,当CAS指令执行时,当且仅当预期值E和内存值V相同时,才更新内存值为N,否则就不执行更新,无论更新与否都会返回否会返回旧的内存值V,上述的处理过程是一个原子操作。

用Java代码等效实现一下CAS的执行过程:

public class CASDemo {

    // 内存中当前的值
    private volatile int ramAddress;

    /**
     * @param expectedValue 期望值
     * @return newValue 更新的值
     **/
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        //TODO 模拟直接从内存地址读取到内存中的值
        int oldRamAddress  = accessMemory(ramAddress);
        //内存中的值和期望的值进行比较
        if (oldRamAddress  == expectedValue) {
            ramAddress = newValue;
        }
        return oldRamAddress;
    }

    private int accessMemory(int ramAddress) {
        //TODO  模拟直接从内存地址读取到内存中的值
        return ramAddress;
    }

}

以上伪代码描述了一个由比较和赋值两阶段组成的复合操作,CAS 可以看作是它们合并后的整体——一个不可分割的原子操作,并且其原子性是直接在硬件层面得到保障的。

CAS是一种无锁算法,在不使用锁(没有线程被阻塞)的情况下实现多线程之间的变量同步。CAS可以看做是乐观锁(对比数据库的悲观、乐观锁)的一种实现方式,Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

CAS使用

在 Java 中,CAS 操作是由 Unsafe 类提供支持的,该类定义了三种针对不同类型变量的 CAS 操作,如图

它们都是 native 方法,由 Java 虚拟机提供具体实现,这意味着不同的 Java 虚拟机对它们的实现可能会略有不同。

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类,主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法,如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等,这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力,这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大,使得Java这种安全的语言变得不再“安全”,因此对Unsafe的使用一定要慎重。

以 compareAndSwapInt 为例,Unsafe 的 compareAndSwapInt 方法接收 4 个参数,分别是:对象实例、内存偏移量、字段期望值、字段新值。该方法会针对指定对象实例中的相应偏移量的字段执行 CAS 操作。

public class CASTest {

    public static void main(String[] args) {
        Entity entity = new Entity();

        Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();

        long offset = UnsafeFactory.getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");

        boolean successful;

        // 4个参数分别是:对象实例、字段的内存偏移量、字段期望值、字段新值
        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
        System.out.println(successful + "\t" + entity.x);

        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
        System.out.println(successful + "\t" + entity.x);

        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
        System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
    }
}

public class UnsafeFactory {

    /**
     * 获取 Unsafe 对象
     * @return
     */
    public static Unsafe getUnsafe() {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            return (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 获取字段的内存偏移量
     * @param unsafe
     * @param clazz
     * @param fieldName
     * @return
     */
    public static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
        try {
            return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
}

测试

针对 entity.x 的 3 次 CAS 操作,分别试图将它从 0 改成 3、从 3 改成 5、从 3 改成 8。执行结果如下:

CAS应用场景

CAS在java.util.concurrent.atomic相关类、Java AQS、CurrentHashMap等实现上有非常广泛的应用。如下图所示,AtomicInteger的实现中,静态字段valueOffset即为字段value的内存偏移地址,valueOffset的值在AtomicInteger初始化时,在静态代码块中通过Unsafe的objectFieldOffset方法获取。在AtomicInteger中提供的线程安全方法中,通过字段valueOffset的值可以定位到AtomicInteger对象中value的内存地址,从而可以根据CAS实现对value字段的原子操作。

下图为某个AtomicInteger对象自增操作前后的内存示意图,对象的基地址baseAddress=“0x110000”,通过baseAddress+valueOffset得到value的内存地址valueAddress=“0x11000c”;然后通过CAS进行原子性的更新操作,成功则返回,否则继续重试,直到更新成功为止。

CAS源码分析

Hotspot 虚拟机对compareAndSwapInt 方法的实现如下:

#unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
  oop p = JNIHandles::resolve(obj);
  // 根据偏移量,计算value的地址
  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
  // Atomic::cmpxchg(x, addr, e) cas逻辑 x:要交换的值   e:要比较的值
  //cas成功,返回期望值e,等于e,此方法返回true 
  //cas失败,返回内存中的value值,不等于e,此方法返回false
  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END2

核心逻辑在Atomic::cmpxchg方法中,这个根据不同操作系统和不同CPU会有不同的实现。这里我们以linux_64x的为例,查看Atomic::cmpxchg的实现

#atomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  //判断当前执行环境是否为多处理器环境
  int mp = os::is_MP();
  //LOCK_IF_MP(%4) 在多处理器环境下,为 cmpxchgl 指令添加 lock 前缀,以达到内存屏障的效果
  //cmpxchgl 指令是包含在 x86 架构及 IA-64 架构中的一个原子条件指令,
  //它会首先比较 dest 指针指向的内存值是否和 compare_value 的值相等,
  //如果相等,则双向交换 dest 与 exchange_value,否则就单方面地将 dest 指向的内存值交给exchange_value。
  //这条指令完成了整个 CAS 操作,因此它也被称为 CAS 指令。
  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
                    : "=a" (exchange_value)
                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
                    : "cc", "memory");
  return exchange_value;
}

cmpxchgl的详细执行过程:

首先,输入是"r" (exchange_value), “a” (compare_value), “r” (dest), “r” (mp),表示compare_value存入eax寄存器,而exchange_value、dest、mp的值存入任意的通用寄存器。嵌入式汇编规定把输出和输入寄存器按统一顺序编号,顺序是从输出寄存器序列从左到右从上到下以“%0”开始,分别记为%0、%1···%9。也就是说,输出的eax是%0,输入的exchange_value、compare_value、dest、mp分别是%1、%2、%3、%4。

因此,cmpxchg %1,(%3)实际上表示cmpxchg exchange_value,(dest)

需要注意的是cmpxchg有个隐含操作数eax,其实际过程是先比较eax的值(也就是compare_value)和dest地址所存的值是否相等,

输出是"=a" (exchange_value),表示把eax中存的值写入exchange_value变量中。

Atomic::cmpxchg这个函数最终返回值是exchange_value,也就是说,如果cmpxchgl执行时compare_value和dest指针指向内存值相等则会使得dest指针指向内存值变成exchange_value,最终eax存的compare_value赋值给了exchange_value变量,即函数最终返回的值是原先的compare_value。此时Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true,表明CAS成功。如果cmpxchgl执行时compare_value和(dest)不等则会把当前dest指针指向内存的值写入eax,最终输出时赋值给exchange_value变量作为返回值,导致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到false,表明CAS失败。

现代处理器指令集架构基本上都会提供 CAS 指令,例如 x86 和 IA-64 架构中的 cmpxchgl 指令和 comxchgq 指令,sparc 架构中的 cas 指令和 casx 指令。

不管是 Hotspot 中的 Atomic::cmpxchg 方法,还是 Java 中的 compareAndSwapInt 方法,它们本质上都是对相应平台的 CAS 指令的一层简单封装。CAS 指令作为一种硬件原语,有着天然的原子性,这也正是 CAS 的价值所在。

CAS缺陷

CAS 虽然高效地解决了原子操作,但是还是存在一些缺陷的,主要表现在三个方面:

  • 自旋 CAS 长时间不成功,则会给 CPU 带来非常大的开销
  • 只能保证一个共享变量原子操作
  • ABA 问题

ABA问题及其解决方案

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,那么在这个时间差类会导致数据的变化。

什么是ABA问题

当有多个线程对一个原子类进行操作的时候,某个线程在短时间内将原子类的值A修改为B,又马上将其修改为A,此时其他线程不感知,还是会修改成功。

测试

@Slf4j
public class ABATest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            log.debug("Thread1 read value: " + value);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);

            // Thread1通过CAS修改value值为3
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
                log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.debug("Thread1 update fail!");
            }
        },"Thread1").start();

        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            log.debug("Thread2 read value: " + value);
            // Thread2通过CAS修改value值为2
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
                log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");

                // do something
                value = atomicInteger.get();
                log.debug("Thread2 read value: " + value);
                // Thread2通过CAS修改value值为1
                if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
                    log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        },"Thread2").start();
    }
}

Thread1不清楚Thread2对value的操作,误以为value=1没有修改过

ABA问题的解决方案

数据库有个锁称为乐观锁,是一种基于数据版本实现数据同步的机制,每次修改一次数据,版本就会进行累加。

同样,Java也提供了相应的原子引用类AtomicStampedReference

reference即我们实际存储的变量,stamp是版本,每次修改可以通过+1保证版本唯一性。这样就可以保证每次修改后的版本也会往上递增。

@Slf4j
public class AtomicStampedReferenceTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 定义AtomicStampedReference    Pair.reference值为1, Pair.stamp为1
        AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(1,1);

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            log.debug("Thread1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);
            // Thread1通过CAS修改value值为3
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3,stamp,stamp+1)) {
                log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.debug("Thread1 update fail!");
            }
        },"Thread1").start();

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = (int)atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
            // Thread2通过CAS修改value值为2
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2,stamp,stamp+1)) {
                log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");

                // do something

                value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
                stamp = stampHolder[0];
                log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
                // Thread2通过CAS修改value值为1
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1,stamp,stamp+1)) {
                    log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        },"Thread2").start();
    }
}

Thread1并没有成功修改value

补充:AtomicMarkableReference可以理解为上面AtomicStampedReference的简化版,就是不关心修改过几次,仅仅关心是否修改过。因此变量mark是boolean类型,仅记录值是否有过修改。

2.Atomic原子操作类介绍

在并发编程中很容易出现并发安全的问题,有一个很简单的例子就是多线程更新变量i=1,比如多个线程执行i++操作,就有可能获取不到正确的值,而这个问题,最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略,并不是特别高效的一种解决方案。实际上,在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操作简单,性能高效,并能保证线程安全的类去更新基本类型变量,数组元素,引用类型以及更新对象中的字段类型。atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据,在java中则是使用CAS操作具体实现。

在java.util.concurrent.atomic包里提供了一组原子操作类:

基本类型:AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean;

引用类型:AtomicReference、AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference;

数组类型:AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

对象属性原子修改器:AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

原子类型累加器(jdk1.8增加的类):DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder、Striped64

原子更新基本类型

以AtomicInteger为例总结常用的方法

//以原子的方式将实例中的原值加1,返回的是自增前的旧值;
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
 
//getAndSet(int newValue):将实例中的值更新为新值,并返回旧值;
public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
    boolean prev;
    do {
        prev = get();
    } while (!compareAndSet(prev, newValue));
    return prev;
}
 
//incrementAndGet() :以原子的方式将实例中的原值进行加1操作,并返回最终相加后的结果;
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
 
//addAndGet(int delta) :以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加,并返回最后的结果;
public final int addAndGet(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;

测试

public class AtomicIntegerTest {
    static AtomicInteger sum = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    // 原子自增  CAS
                    sum.incrementAndGet();
                    //TODO
                }
            });
            thread.start();
        }

        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(sum.get());

    }

}

incrementAndGet()方法通过CAS自增实现,如果CAS失败,自旋直到成功+1。

思考:这种CAS失败自旋的操作存在什么问题?

原子更新数组类型

AtomicIntegerArray为例总结常用的方法

//addAndGet(int i, int delta):以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加;
public final int addAndGet(int i, int delta) {
    return getAndAdd(i, delta) + delta;
}
 
//getAndIncrement(int i):以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1;
public final int getAndIncrement(int i) {
    return getAndAdd(i, 1);
}
 
//compareAndSet(int i, int expect, int update):将数组中索引为i的位置的元素进行更新
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
    return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}

测试

public class AtomicIntegerArrayTest {

    static int[] value = new int[]{ 1, 2, 3, 4, 5 };
    static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(value);


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //设置索引0的元素为100
        atomicIntegerArray.set(0, 100);
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(0));
        //以原子更新的方式将数组中索引为1的元素与输入值相加
        atomicIntegerArray.getAndAdd(1,5);

        System.out.println(atomicIntegerArray);
    }
}

原子更新引用类型

AtomicReference作用是对普通对象的封装,它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

public class AtomicReferenceTest {

    public static void main( String[] args ) {
        User user1 = new User("张三", 23);
        User user2 = new User("李四", 25);
        User user3 = new User("王五", 20);

        //初始化为 user1
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        atomicReference.set(user1);

        //把 user2 赋给 atomicReference
        atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
        System.out.println(atomicReference.get());

        //把 user3 赋给 atomicReference
        atomicReference.compareAndSet(user1, user3);
        System.out.println(atomicReference.get());
        
    }

}


@Data
@AllArgsConstructor
class User {
    private String name;
    private Integer age;
}

对象属性原子修改器

AtomicIntegerFieldUpdater可以线程安全地更新对象中的整型变量。

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    public static class Candidate {

        volatile int score = 0;

        AtomicInteger score2 = new AtomicInteger();
    }

    public static final AtomicIntegerFieldUpdater<Candidate> scoreUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Candidate.class, "score");

    public static AtomicInteger realScore = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        final Candidate candidate = new Candidate();

        Thread[] t = new Thread[10000];
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            t[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    if (Math.random() > 0.4) {
                        candidate.score2.incrementAndGet();
                        scoreUpdater.incrementAndGet(candidate);
                        realScore.incrementAndGet();
                    }
                }
            });
            t[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            t[i].join();
        }
        System.out.println("AtomicIntegerFieldUpdater Score=" + candidate.score);
        System.out.println("AtomicInteger Score=" + candidate.score2.get());
        System.out.println("realScore=" + realScore.get());

    }
}

对于AtomicIntegerFieldUpdater 的使用稍微有一些限制和约束,约束如下:

(1)字段必须是volatile类型的,在线程之间共享变量时保证立即可见.eg:volatile int value = 3

(2)字段的描述类型(修饰符public/protected/default/private)与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段,那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段,子类是不能直接操作的,尽管子类可以访问父类的字段。

(3)只能是实例变量,不能是类变量,也就是说不能加static关键字。

(4)只能是可修改变量,不能使final变量,因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的,这两个关键字不能同时存在。

(5)对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段,不能修改其包装类型(Integer/Long)。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

LongAdder/DoubleAdder详解

AtomicLong是利用了底层的CAS操作来提供并发性的,比如addAndGet方法:

上述方法调用了Unsafe类的getAndAddLong方法,该方法内部是个native方法,它的逻辑是采用自旋的方式不断更新目标值,直到更新成功。

在并发量较低的环境下,线程冲突的概率比较小,自旋的次数不会很多。但是,高并发环境下,N个线程同时进行自旋操作,会出现大量失败并不断自旋的情况,此时AtomicLong的自旋会成为瓶颈。

这就是LongAdder引入的初衷——解决高并发环境下AtomicInteger,AtomicLong的自旋瓶颈问题。

性能测试

public class LongAdderTest {

    public static void main(String[] args) {
        testAtomicLongVSLongAdder(10, 10000);
        System.out.println("==================");
        testAtomicLongVSLongAdder(10, 200000);
        System.out.println("==================");
        testAtomicLongVSLongAdder(100, 200000);
    }

    static void testAtomicLongVSLongAdder(final int threadCount, final int times) {
        try {
            long start = System.currentTimeMillis();
            testLongAdder(threadCount, times);
            long end = System.currentTimeMillis() - start;
            System.out.println("条件>>>>>>线程数:" + threadCount + ", 单线程操作计数" + times);
            System.out.println("结果>>>>>>LongAdder方式增加计数" + (threadCount * times) + "次,共计耗时:" + end);

            long start2 = System.currentTimeMillis();
            testAtomicLong(threadCount, times);
            long end2 = System.currentTimeMillis() - start2;
            System.out.println("条件>>>>>>线程数:" + threadCount + ", 单线程操作计数" + times);
            System.out.println("结果>>>>>>AtomicLong方式增加计数" + (threadCount * times) + "次,共计耗时:" + end2);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static void testAtomicLong(final int threadCount, final int times) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
        AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < times; j++) {
                        atomicLong.incrementAndGet();
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }, "my-thread" + i).start();
        }
        countDownLatch.await();
    }

    static void testLongAdder(final int threadCount, final int times) throws InterruptedException {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
        LongAdder longAdder = new LongAdder();
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < times; j++) {
                        longAdder.add(1);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }, "my-thread" + i).start();
        }

        countDownLatch.await();
    }
}

测试结果:线程数越多,并发操作数越大,LongAdder的优势越明显

低并发、一般的业务场景下AtomicLong是足够了。如果并发量很多,存在大量写多读少的情况,那LongAdder可能更合适。

LongAdder原理

设计思路

AtomicLong中有个内部变量value保存着实际的long值,所有的操作都是针对该变量进行。也就是说,高并发环境下,value变量其实是一个热点,也就是N个线程竞争一个热点。LongAdder的基本思路就是分散热点,将value值分散到一个数组中,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。

LongAdder的内部结构

LongAdder内部有一个base变量,一个Cell[]数组:

base变量:非竞态条件下,直接累加到该变量上

Cell[]数组:竞态条件下,累加个各个线程自己的槽Cell[i]中

/** Number of CPUS, to place bound on table size */
// CPU核数,用来决定槽数组的大小
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();

/**
 * Table of cells. When non-null, size is a power of 2.
 */
 // 数组槽,大小为2的次幂
transient volatile Cell[] cells;

/**
 * Base value, used mainly when there is no contention, but also as
 * a fallback during table initialization races. Updated via CAS.
 */
 /**
 *  基数,在两种情况下会使用:
 *  1. 没有遇到并发竞争时,直接使用base累加数值
 *  2. 初始化cells数组时,必须要保证cells数组只能被初始化一次(即只有一个线程能对cells初始化),
 *  其他竞争失败的线程会将数值累加到base上
 */
transient volatile long base;

/**
 * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating Cells.
 */
transient volatile int cellsBusy;

定义了一个内部Cell类,这就是我们之前所说的槽,每个Cell对象存有一个value值,可以通过Unsafe来CAS操作它的值:

LongAdder#add方法

LongAdder#add方法的逻辑如下图:

只有从未出现过并发冲突的时候,base基数才会使用到,一旦出现了并发冲突,之后所有的操作都只针对Cell[]数组中的单元Cell。

如果Cell[]数组未初始化,会调用父类的longAccumelate去初始化Cell[],如果Cell[]已经初始化但是冲突发生在Cell单元内,则也调用父类的longAccumelate,此时可能就需要对Cell[]扩容了。

这也是LongAdder设计的精妙之处:尽量减少热点冲突,不到最后万不得已,尽量将CAS操作延迟。

Striped64#longAccumulate方法

整个Striped64#longAccumulate的流程图如下:

LongAdder#sum方法

/**
* 返回累加的和,也就是"当前时刻"的计数值
* 注意: 高并发时,除非全局加锁,否则得不到程序运行中某个时刻绝对准确的值
*  此返回值可能不是绝对准确的,因为调用这个方法时还有其他线程可能正在进行计数累加,
*  方法的返回时刻和调用时刻不是同一个点,在有并发的情况下,这个值只是近似准确的计数值
*/
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;
}

由于计算总和时没有对Cell数组进行加锁,所以在累加过程中可能有其他线程对Cell中的值进行了修改,也有可能对数组进行了扩容,所以sum返回的值并不是非常精确的,其返回值并不是一个调用sum方法时的原子快照值。

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