JUC 原子累加器 源码之 LongAdder

LongAdder 是并发大师 @author Doug Lea （大哥李）的作品，设计的非常精巧
LongAdder 类有几个关键域

// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;
// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;
// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy;

cas 锁

// 不要用于实践！！！
public class LockCas {
    
 private AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);
 public void lock() {
    
 while (true) {
    
 if (state.compareAndSet(0, 1)) {
    
 break;
 }
 }
 }
 public void unlock() {
    
 log.debug("unlock...");
 state.set(0);
 }
}

其中 Cell 即为累加单元

// 防止缓存行伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
    
 volatile long value;
 Cell(long x) {
     value = x; }
 
 // 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
 final boolean cas(long prev, long next) {
    
 return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
 }
 // 省略不重要代码
}

得从缓存说起
缓存与内存的速度比较



因为 Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象。这样问题来了：

• Core-0 要修改 Cell[0]
• Core-1 要修改 Cell[1]
  无论谁修改成功，都会导致对方 Core 的缓存行失效，比如 Core-0 中 Cell[0]=6000, Cell[1]=8000 要累加Cell[0]=6001, Cell[1]=8000 ，这时会让 Core-1 的缓存行失效

@sun.misc.Contended 用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的
padding，从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效

累加主要调用下面的方法

public void add(long x) {
    
 // as 为累加单元数组
 // b 为基础值
 // x 为累加值
 Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
 // 进入 if 的两个条件
 // 1. as 有值, 表示已经发生过竞争, 进入 if
 // 2. cas 给 base 累加时失败了, 表示 base 发生了竞争, 进入 if
 if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
    
 // uncontended 表示 cell 没有竞争
 boolean uncontended = true;
 if (
 // as 还没有创建
 as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
 // 当前线程对应的 cell 还没有
 (a = as[getProbe() & m]) == null ||
 // cas 给当前线程的 cell 累加失败 uncontended=false ( a 为当前线程的 cell )
 !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))
 ) {
    
 // 进入 cell 数组创建、cell 创建的流程
 longAccumulate(x, null, uncontended);
 }
 }
}

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
 boolean wasUncontended) {
    
 int h;
 // 当前线程还没有对应的 cell, 需要随机生成一个 h 值用来将当前线程绑定到 cell
 if ((h = getProbe()) == 0) {
    
 // 初始化 probe
 ThreadLocalRandom.current();
 // h 对应新的 probe 值, 用来对应 cell
 h = getProbe();
 wasUncontended = true;
 }
 // collide 为 true 表示需要扩容
 boolean collide = false; 
 for (;;) {
    
 Cell[] as; Cell a; int n; long v;
 // 已经有了 cells
 if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
    
 // 还没有 cell
 if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
    
 // 为 cellsBusy 加锁, 创建 cell, cell 的初始累加值为 x
 // 成功则 break, 否则继续 continue 循环
 }
 // 有竞争, 改变线程对应的 cell 来重试 cas
 else if (!wasUncontended)
 wasUncontended = true;
 // cas 尝试累加, fn 配合 LongAccumulator 不为 null, 配合 LongAdder 为 null
 else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))
 break;
 // 如果 cells 长度已经超过了最大长度, 或者已经扩容, 改变线程对应的 cell 来重试 cas
 else if (n >= NCPU || cells != as)
 collide = false;
 // 确保 collide 为 false 进入此分支, 就不会进入下面的 else if 进行扩容了
 else if (!collide)
 collide = true;
 // 加锁
 else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
    
 // 加锁成功, 扩容
 continue;
 }
 // 改变线程对应的 cell
 h = advanceProbe(h);
 }
 // 还没有 cells, 尝试给 cellsBusy 加锁
 else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
    
 // 加锁成功, 初始化 cells, 最开始长度为 2, 并填充一个 cell
 // 成功则 break;
 }
 // 上两种情况失败, 尝试给 base 累加
 else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))
 break;
 }
}

获取最终结果通过 sum 方法

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; }