19.Atomic系列之LongAdder的底层原理（分段锁提升并发性能）

老王：小陈啊，上一章我们讲解了cas的缺陷，无法同时更新多个变量、以及ABA的问题。以及如果使用AtomicReference解决同时更新多个变量，如果使用AtomicStampedReference解决ABA的问题，这些都还记得不？

小陈：嗯嗯，记得的。

老王：那好，这一章节我们就来讲解CAS带来的另外一个问题，在并发激烈的时候，产生大量的自旋，空耗CPU的问题，以及怎么使用分段锁机制解决这个问题的，我们已LongAdder这个原子类来举例讲解。

小陈：嗯嗯，洗耳恭听......

AtomicInteger的缺陷，并发竞争激烈时导致大量线程自旋

老王：小陈啊，在说LongAdder之前，我先问题一个问题，为什么要设计出LongAdder？

小陈：这个啊，我看有些人说在并发非常高的时候，使用AtomicInteger、AtomicLong底层的CAS操作竞争非常激烈，会导致大量线程CAS失败而不断自旋，耗费CPU的性能。

老王：哦，那你来说说并发非常高的时候，AtomicInteger、AtomicLong为什么会导致的大量自旋？

小陈：AtomicInteger、AtomicLong的底层原理和实现方式基本一致，只不过一个是int类型一个是long类型，我就拿我们之前讨论过的AtomicInteger来分析一下：

我记得AtomicInteger的incrementAndGet方法的底层源码是这样的：

public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

底层调用了unsafe类的getAndAddInt方法，源码如下：

public final int getAndAddInt(Object o, long valueOffset, int x) {
    int expected;
    // CAS的失败的线程，会不断在do... while循环里重试，知道成功为止
    do {
        expected = this.getIntVolatile(o, valueOffset);
        // while条件判断这里的compareAndSwapInt每次只有一个线程成功
    } while(!this.compareAndSwapInt(o, valueOffset, expected, expected + x));
    
    return expected;
}

（1）我们看一下上述 do...while 循环，假设有10000个线程并发的操作，由于CAS操作能保证原子性（之前的文章讲过哦，CAS的底层原理） ，一个时刻只会有一个线程执行compareAndSwapInt方法成功

（2）失败的另外9999个线程，进入下一次循环，然后成功一个，剩下9998个进入下一层循环....，这种方式啊，竞争太过激烈导致大量线程在循环里面自旋重试，此时是不会释放CPU资源的，大大降低CPU的利用率，降低了并发的性能。

小陈：我再画一副图补充一下：

小陈：上面就是我理解竞争非常激烈的时候，大量线程在do...while循环里面自旋重试，导致非常消耗CPU资源，降低了并发的性能。

老王：很好很好，理解得非常不错，看来小陈你对之前讲解的AtomicInteger理解很深入了，哈哈，不愧是我亲自带出来的......

小陈：哪能啊，嘿嘿，都是老王你教的好啊......

老王：小陈啊，既然你知道了AtomicInteger在并发竞争非常激烈会导致大量线程自旋，那你说说LongAdder在设计层次是怎么解决这个问题的？

小陈：额，我印象中LongAdder采用分段锁的思想，去减少并发竞争的；我打个比方还是上面10000个线程并发操作，但是LongAdder内部可能有10个锁，不同的线程可能去竞争不同的锁，平均下来可能是1000个线程竞争1个锁这样；并发性能这样比起AtomicInteger可能就提升了10倍。

老王：你说的大概准确，但是你能说说什么是分段锁吗？LongAdder底层又是怎么实现分段锁的？

小陈：额，这个，我就不太懂了，还是老王你来说吧......

老王：好，那我先给你讲讲什么是分段锁吧，讲完分段锁之后再给讲LongAdder是怎么实现分段锁的

老王：下面我以银行办事大厅多窗口机制来给你将什么是分段锁

银行办事大厅多窗口讲解分段锁

如下图所示：

（1）银行大厅有一个常规窗口，一堆备用窗口；每个窗口有个计数器value记录了当前窗口的访客人数

（2）当人数很少的时候，不存在竞争，通常办事大厅只启用常规窗口就足以应对了

（3）当银行某个经理想知道总的访客人数的时候，需要将所有窗口的value访问人数累加就可以了

老王：上面的图看懂了没？

小陈：看懂了，也就是说一个银行办事大厅，处理访客的请求。当访客人数很少，比如一两个的时候只开放常规窗口就可以了。

同时每个窗口内部有一个访客计数器，窗口每次接待完一个访客，value就加1，当银行经理想看一下整个办事大厅的来访总人数的时候，就把所有的窗口的访客计数器value累加就可以了。

老王：没错，就是这样。下面再给你说说，当访客非常多的时候，怎么使用备用窗口减少竞争的？

多窗口处理减少竞争

（1）在访客非常多的情况下，只开启常规窗口是不行的，由于一个窗口同一时间只能处理一个访客的请求，并发竞争非常激烈（这个就是上述说的AtomicInteger的缺陷，所有人竞争通过一个窗口）

（2）所以这个时候启用备用窗口，假如说有4个备用窗口，分别为A、B、C、D窗口，每个用户自己有一个id，比如用户2（id=4）来了之后看到常规窗口有人了，就会根据 id % 备用窗口大小 =》 4 % 4 = 0，就会派到第一个备用窗口，也就是窗口A

（3）同时并发非常激烈的时候，同一个备用窗口也是存在竞争的，比如用户3（id=5）、用户6（id=9）根据 id % 备用窗口大小 = 2，所以都竞争备用窗口B；用户4（id=6）和用户7（id=10）同样会竞争备用窗口C

（4）使用了备用窗口列表，相当于将不同的用户派遣到不同的窗口，减少了竞争，这样并发性能自然就提升上去了。

老王：上面的这种机制啊，其实就是类似将锁拆成锁多个段；其中每个窗口就是一段锁，只有被派到同一个窗口的用户才会存在竞争，使用分段锁大大减少了竞争，提升了并发性能。

这个时候如果银行经理想要知道办事大厅的总访问人数，只需要将多个窗口（多个段）内的value人数累加起来就可以了。

老王：小陈啊，上面通过办事大厅多窗口（多段）机制讲解分段锁，你听懂了没？

小陈：牛逼啊老王，你这么讲解我完全听得懂。

老王：好了，下面再给你讲讲LongAdder的底层原理和怎么使用分段锁优化并发性能的？

LongAdder属性

老王：首先啊，我给你说LongAdder之前得给你介绍一下Striped64这个类，Striped64这个类是分段锁的基础，实现分段锁的功能，而LongAdder继承Striped64，只是在Striped64基础之上做了简单的封装而已。

首先介绍一下LongAdder继承Striped64之后内部有哪些属性：

Cell单元（窗口）

Cell其实就是我们上面说窗口，每个窗口内部有一个value计数器

Cell {
    // 计数器，当前访问人数多少
    volatile long value;
    // 构造函数
    Cell(long x) { value = x; }
    // CAS竞争同一个窗口，可能多个用户CAS竞争这个窗口	
    final boolean cas(long cmp, long val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);
    }
}

基础窗口

基础窗口直接用一个base变量表示

transient volatile long base;

争抢基础窗口的方法，casBase底层源码，直接cas修改base变量在内存的值

final boolean casBase(long cmp, long val) {
    return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, BASE, cmp, val);
}

用户id生成方法

这里就是通过线程id，经过系列运算得到用户id

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

LongAdder内部源码分析

老王：上面知道了LongAdder内部有用哪些属性，接下来我们看一下LongAdder内部的源码。

老王：我们首先看下LongAdder提供的加减方法：

public void increment() {
    add(1L);
}
 
public void decrement() {
    add(-1L);
}

我们看到，increment和decrement方法底层调用的都是add方法，只不过传入的是正数和负数的区别而已。

老王：看一下设计极为简洁和精妙的add方法：

public void add(long x) {
    // as就类似我们上述说的备用窗口列表
    Cell[] as;
    // 这里的b就是常规窗口的值，v是你被分派到的那个窗口的value值
    long b, v;
    // m是备用窗口的长度-1，
    // 上面我们讲过getProbe()方法就是获取用户id的方法
    // getProbe() & 其实就是 用户id % 窗口总数，窗口分派的算法
    int m;
    // a就是你被派遣到的那个窗口
    Cell a;
    // 1.首先如果cells==null，说明备用窗口没有开放，
    // 全都执行casBase争抢常规窗口，cas成功则争抢成功，然后办完事就退出了
    // 如果争抢失败 casBase == false，则会进入if代码内重试
    // 2. 如果cells != null，说明备用窗口开发了，不用去争抢常规窗口了，
    // 直接就进入争抢备用窗口
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        boolean uncontended = true;
        // 3. as == null || as.length - 1 < 0 说明备用窗口列表尚未开放
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            // 4. as[getProbe() & m] 是你被派遣到的那个备用窗口
            // (a = as[getProbe() & m]) == null 你被派遣到的那个备用窗口还没有人来
            (a = as[getProbe() & m]) == null ||
            // 5. a.cas() 就是你被分派到窗口a后，去尝试争抢窗口a的权限
            // 如果 uncontented就是你争抢的结果，如果!uncnotented == true，说明你争抢失败了
            !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
            
            // 相当于上面操作都失败之后的一种兜底方案
            longAccumulate(x, null, uncontended);
    }
}

老王：小陈啊，上面的LongAdder原子类的add方法源码，经过我加上的一些注释，你能拿看懂不？

小陈：看不懂......

老王：那这样，我再画个流程图，结合代码给你讲解一下：

老王：小陈啊，上面就是LongAdder底层执行加减运算的流程图了。

小陈：哇撒，这个有点小复杂啊，这几行代码里面包含这么多的操作啊......，我要多看几遍才行啊。（一次看不懂的童鞋，记得多看几遍哈）

老王：是啊，写LongAdder这哥们看来境界十分高。

老王：按照我们的修炼方式，你一点点的从《筑基》、《练气》、《结丹》....，你可以慢慢提高水平，看懂他们的代码，了解他们设计的思想，前提是你要好好学啊。

老王：好了，小陈，再给十分钟的时间，好好消化一下上面我们讲解下面的内容......

小陈：好的老王，遵命......（十分钟之后......）

老王：小陈啊，上面讨论的LongAdder执行add操作的流程全部弄懂了没？

小陈：longAccumulate的那个底层兜底的实现机制（下一章节讲解），我都基本搞明白了：

（1）大概就是备用窗口没有开放的时候，所有人都来竞争常规窗口

（2）备用窗口列表开放之后，根据算法看自己被派遣到哪个窗口，比如说窗口a

（3）然后看一下自己被派遣到的窗口a有没有人在工作，没有那就只等进入兜底方案等人来了才能处理了

（4）如果窗口a有人，这个时候就去竞争窗口a的权限；如果成功了，说明处理了自己的请求，那我就完事了

（5）如果去窗口a竞争失败了，则说明别人比你先一步获取了窗口a的权限，这个时候你只等进入兜底方案等待了。

老王：没错没错，总结得很好，看来小陈你随着境界的提升啊，理解越来越深入了，目前我看你现在的并发实力，已经快《结丹》了，继续保持下去...

小陈：哈哈，这都是老王你的功劳啊，都是你教的好......

老王：哈哈，好了，互吹结束；我们接着继续。

LongAdder中获取总数源码分析

再来看下LongAdder的longValue和intValue的底层源码：

这个就是相当于获取当前办事大厅的来访总人数了，底层都是调用sum方法：

public long longValue() {
    return sum();
}
 
public int intValue() {
    return (int)sum();
}

再来看下sum() 方法的源码是怎么统计所有的来访人数的：

public long sum() {
    // as = cells 表示备用窗口列表
    Cell[] as = cells;
    Cell a;
    // base，也就是常规窗口的访客人数
    long sum = base;
    if (as != null) {
        // 这里就是将 常规窗口访客 + 所有备用窗口访客 就是总访客
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
        }
    }
    return sum;
}

老王：这个底层就很简单了，就是遍历所有的窗口，将他们的访问人数加起来就是了：

老王：上面的获取总数的sum方法对你来说应该不难吧，小陈。

小陈：哈哈，这个就很简单了，只是常规的加和操作而已......

老王：好了，今天我们分析LongAdder的底层和源码就到了这里，我们明天分析一下Strimed64的分段加锁实现机制，也就是我们今天图里面的longAccumulate兜底机制。

小陈：好的老王，我们下一章见。

目录

JAVA并发专题 《筑基篇》

1.什么是CPU多级缓存模型？

2.什么是JAVA内存模型？

3.线程安全之可见性、有序性、原子性是什么？

4.什么是MESI缓存一致性协议？怎么解决并发的可见性问题？

JAVA并发专题《练气篇》

5.volatile怎么保证可见性？

6.什么是内存屏障？具有什么作用？

7.volatile怎么通过内存屏障保证可见性和有序性？

8.volatile为啥不能保证原子性？

9.synchronized是个啥东西？应该怎么使用？

10.synchronized底层之monitor、对象头、Mark Word？

11.synchronized底层是怎么通过monitor进行加锁的？

12.synchronized的锁重入、锁消除、锁升级原理？无锁、偏向锁、轻量级锁、自旋、重量级锁

13.synchronized怎么保证可见性、有序性、原子性？

JAVA并发专题《结丹篇》

14. JDK底层Unsafe类是个啥东西？

15.unsafe类的CAS是怎么保证原子性的？

16.Atomic原子类体系讲解

17.AtomicInteger、AtomicBoolean的底层原理

18.AtomicReference、AtomicStampReference底层原理

19.Atomic中的LongAdder底层原理之分段锁机制

20.Atmoic系列Strimped64分段锁底层实现源码剖析

JAVA并发专题《金丹篇》

21.AQS是个啥？为啥说它是JAVA并发工具基础框架？

22.基于AQS的互斥锁底层源码深度剖析

23.基于AQS的共享锁底层源码深度剖析

24.ReentrantLock是怎么基于AQS实现独占锁的？

25.ReentrantLock的Condition机制底层源码剖析

26.CountDownLatch 门栓底层源码和实现机制深度剖析

27.CyclicBarrier 栅栏底层源码和实现机制深度剖析

28.Semaphore 信号量底层源码和实现机深度剖析

29.ReentrantReadWriteLock 读写锁怎么表示？

JAVA并发专题《元神篇》并发数据结构篇

31.CopyOnAarrayList 底层分析，怎么通过写时复制副本，提升并发性能？

32.ConcurrentLinkedQueue 底层分析，CAS 无锁化操作提升并发性能？

33.ConcurrentHashMap详解，底层怎么通过分段锁提升并发性能？

34.LinkedBlockedQueue 阻塞队列怎么通过ReentrantLock和Condition实现？

35.ArrayBlockedQueued 阻塞队列实现思路竟然和LinkedBlockedQueue一样？

36.DelayQueue 底层源码剖析，延时队列怎么实现？

37.SynchronousQueue底层原理解析

JAVA并发专题《飞升篇》线程池底层深度剖析

39.ThreadPoolExecutor 构造函数有哪些参数？这些参数分别表示什么意思？

40.内部有哪些变量，怎么表示线程池状态和线程数，看看道格.李大神是怎么设计的？