对LongAdder的最初了解是从 Coolshell 上的一篇文章中获得的，但是一直都没有深入的了解过其实现，只知道它相较于AtomicLong来说，更加适合写多读少的并发情景。今天，我们就研究一下LongAdder的原理，探究一下它如此高效的原因。
基本原理和思想
Java 有很多并发控制机制，比如说以 AQS 为基础的锁或者以 CAS 为原理的自旋锁。不了解 AQS 的朋友可以阅读我之前的《AQS 源码解析文章》。一般来说，CAS 适合轻量级的并发操作，也就是并发量并不多，而且等待时间不长的情况，否则就应该使用普通锁，进入阻塞状态，避免 CPU 空转。
所以，如果你有一个 Long 类型的值会被多线程修改，那么使用 CAS 进行并发控制比较好，但是如果你是需要锁住一些资源，然后进行数据库操作，那么还是使用阻塞锁比较好。
第一种情况下，我们一般都使用AtomicLong。AtomicLong是通过无限循环不停的采取 CAS 的方法去设置内部的 value，直到成功为止。那么当并发数比较多或出现更新热点时，就会导致 CAS 的失败机率变高，重试次数更多，越多的线程重试，CAS 失败的机率越高，形成恶性循环，从而降低了效率。
而 LongAdder 的原理就是降低对 value 更新的并发数，也就是将对单一 value 的变更压力分散到多个 value 值上，降低单个 value 的“热度”。
我们知道LongAdder的大致原理之后，再来详细的了解一下它的具体实现，其中也有很多值得借鉴的并发编程的技巧。
LongAdder 的成员变量
LongAdder是Striped64的子类，其有三个比较重要的成员函数，在之后的函数分析中需要使用到，这里先说明一下。
// CPU的数量static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();// Cell对象的数组，长度一般是2的指数transient volatile Cell[] cells;// 基础value值，当并发较低时，只累加该值transient volatile long base;// 创建或者扩容Cells数组时使用的自旋锁变量transient volatile int cellsBusy;
复制代码
cells是LongAdder的父类Striped64中的Cell数组类型的成员变量。每个Cell对象中都包含一个 value 值，并提供对这个 value 值的 CAS 操作。
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); }}
复制代码
Add 操作
我们首先来看一下LongAdder的add函数，其会多次尝试 CAS 操作将值进行累加，如果成功了就直接返回，失败则继续执行。代码比较复杂，而且涉及的情况比较多，我们就以梳理历次尝试 CAS 操作为主线，讲清楚这些 CAS 操作的前提条件和场景。
public void add(long x) { Cell[] as; long b, v; int m; Cell a; // 当cells数组为null时，会进行第一次cas操作尝试。 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))) // 当cells数组不为null，并且通过getProbe() & m // 定位的Cell对象不为null时进行第二次CAS操作。 // 如果执行不成功，则进入longAccumulate函数。 longAccumulate(x, null, uncontended); }}
复制代码
当并发量较少时，cell 数组尚未初始化，所以只调用casBase函数，对 base 变量进行 CAS 累加。
我们来看一下casBase函数相关的源码吧。我们可以认为变量base就是第一个 value 值，也是基础 value 变量。先调用 casBase 函数来 cas 一下 base 变量，如果成功了，就不需要在进行下面比较复杂的算法，
final boolean casBase(long cmp, long val) { return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, BASE, cmp, val);}
复制代码
当并发量逐渐提高时，casBase函数会失败。如果 cells 数组为 null 或为空,就直接调用longAccumulate方法。因为 cells 为 null 或在为空，说明 cells 未初始化，所以调用longAccumulate进行初始化。否则继续判断。 如果 cells 中已经初始化，就继续进行后续判断。我们先来理解一下getProbe() & m的这个操作吧，可以把这个操作当作一次计算"hash"值，然后将 cells 中这个位置的 Cell 对象赋值给变量 a。如果变量 a 不为 null，那么就调用该对象的 cas 方法去设置其 value 值。如果 a 为 null，或在 cas 赋值发生冲突，那么调用longAccumulate方法。
LongAccumulate 方法
longAccumulate函数比较复杂，带有我的注释的代码已经贴在了文章后边，这里我们就只讲一下其中比较关键的一些技巧和思想。
首先，我们都知道只有当对base的 cas 操作失败之后，LongAdder才引入Cell数组．所以在longAccumulate中就是对Cell数组进行操作，分别涉及了数组的初始化，扩容和设置某个位置的 Cell 对象等操作。
在这段代码中，关于cellBusy的 cas 操作构成了一个 SpinLock，这就是经典的 SpinLock 的编程技巧，大家可以学习一下。
我们先来看一下longAccumulate的主体代码，首先是一个无限 for 循环，然后根据 cells 数组的状态来判断是要进行 cells 数组的初始化，还是进行对象添加或者扩容。
final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn, boolean wasUncontended) { int h; if ((h = getProbe()) == 0) { //获取PROBE变量，探针变量，与当前运行的线程相关，不同线程不同 ThreadLocalRandom.current(); //初始化PROBE变量，和getProbe都使用Unsafe类提供的原子性操作。 h = getProbe(); wasUncontended = true; } boolean collide = false; for (;;) { //cas经典无限循环，不断尝试 Cell[] as; Cell a; int n; long v; if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) { // cells不为null,并且数组size大于0,表示cells已经初始化了 // 初始化Cell对象并设置到数组中或者进行数组扩容 } else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) { //cells数组未初始化，获得cellsBusy lock,进行cells数组的初始化 // cells数组初始化操作 } //如果初始化数组失败了，那就再次尝试一下直接cas base变量， // 如果成功了就直接返回，这是最后一个进行CAS操作的地方。 else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x)))) break; } }
复制代码
进行 Cell 数组代码如下所示，它首先调用casCellsBusy函数获取了cellsBusy‘锁’，然后进行数组的初始化操作，最后将cellBusy'锁'释放掉。
// 注意在进入这段代码之前已经casCellsBusy获得cellsBusy这个锁变量了。boolean init = false;try { if (cells == as) { Cell[] rs = new Cell[2]; rs[h & 1] = new Cell(x); //设置x的值为cell对象的value值 cells = rs; init = true; }} finally { cellsBusy = 0;}if (init) break;
复制代码
如果 Cell 数组已经初始化过了，那么就进行 Cell 数组的设置或者扩容。这部分代码有一系列的 if else 的判断，如果前一个条件不成立，才会进入下一条判断。
首先，当 Cell 数组中对应位置的 cell 对象为 null 时，表明该位置的 Cell 对象需要进行初始化，所以使用casCellsBusy函数获取'锁'，然后初始化 Cell 对象，并且设置进 cells 数组，最后释放掉'锁'。
当 Cell 数组中对应位置的 cell 对象不为 null，则直接调用其 cas 操作进行累加。
当上述操作都失败后，认为多个线程在对同一个位置的 Cell 对象进行操作，这个 Cell 对象是一个“热点”，所以 Cell 数组需要进行扩容，将热点分散。
if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) { //通过与操作计算出来需要操作的Cell对象的坐标 if (cellsBusy == 0) { //volatile 变量，用来实现spinLock,来在初始化和resize cells数组时使用。 //当cellsBusy为0时，表示当前可以对cells数组进行操作。 Cell r = new Cell(x);//将x值直接赋值给Cell对象 if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {//如果这个时候cellsBusy还是0 //就cas将其设置为非０，如果成功了就是获得了spinLock的锁．可以对cells数组进行操作． //如果失败了，就会再次执行一次循环 boolean created = false; try { Cell[] rs; int m, j; //判断cells是否已经初始化，并且要操作的位置上没有cell对象． if ((rs = cells) != null && (m = rs.length) > 0 && rs[j = (m - 1) & h] == null) { rs[j] = r; //将之前创建的值为x的cell对象赋值到cells数组的响应位置． created = true; } } finally { //经典的spinLock编程技巧，先获得锁，然后try finally将锁释放掉 //将cellBusy设置为0就是释放锁． cellsBusy = 0; } if (created) break; //如果创建成功了，就是使用x创建了新的cell对象，也就是新创建了一个分担热点的value continue; } } collide = false; //未发生碰撞}else if (!wasUncontended)//是否已经发生过一次cas操作失败 wasUncontended = true; //设置成true,以便第二次进入下一个else if 判断else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x)))) //fn是操作类型，如果是空，就是相加，所以让a这个cell对象中的value值和x相加，然后在cas设置，如果成果 //就直接返回 break;else if (n >= NCPU || cells != as) //如果cells数组的大小大于系统的可获得处理器数量或在as不再和cells相等． collide = false;else if (!collide) collide = true;else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) { //再次获得cellsBusy这个spinLock,对数组进行resize try { if (cells == as) {//要再次检测as是否等于cells以免其他线程已经对cells进行了操作． Cell[] rs = new Cell[n << 1]; //扩容一倍 for (int i = 0; i < n; ++i) rs[i] = as[i]; cells = rs;//赋予cells一个新的数组对象 } } finally { cellsBusy = 0; } collide = false; continue;}h = advanceProbe(h);//由于使用当前探针变量无法操作成功，所以重新设置一个,再次尝试
复制代码
后记
本篇文章写的不是很好，我写完之后又看了一遍 coolshell 上的关于LongAdder的文章，感觉自己没有人家写的那么简洁明了。我对代码细节的注释和投入太多了。其实很多代码大家都可以看懂，并不需要大量的代码片段加注释。以后要注意一下。之后会接着研究一下 JUC 包中的其他类，希望大家多多关注。
评论