Java多线程：LongAdder 原子操作增强类

Posted 2022-12-04 杨 戬

文章目录

• AtomicXXX带来的问题
• LongAdder
• • LongAdder 概述
  • LongAdder 实现原理
  • LongAdder 具体实现
  • 总结

AtomicXXX带来的问题

高并发下计数，一般最先想到的应该是AtomicLong/AtomicInt，AtmoicXXX使用硬件级别的指令 CAS 来更新计数器的值，这样可以避免加锁，机器直接支持的指令，效率也很高。

但是AtomicXXX中的 CAS操作在出现线程竞争时，失败的线程会白白地循环一次，在并发很大的情况下，因为每次CAS都只有一个线程能成功，竞争失败的线程会非常多。失败次数越多，循环次数就越多，很多线程的CAS操作越来越接近 自旋锁（spin lock）。

计数操作本来是一个很简单的操作，实际需要耗费的cpu时间应该是越少越好，AtomicXXX在高并发计数时，大量的cpu时间都浪费会在 自旋 上了，这很浪费，也降低了实际的计数效率。

LongAdder

LongAdder 概述

LongAdder是jdk8新增的用于并发环境的计数器，目的是为了在高并发情况下，代替AtomicLong/AtomicInt，成为一个用于高并发情况下的高效的通用计数器。说LongAdder比在高并发时比AtomicLong更高效

阿里开发手册推荐jdk8使用LongAdder替代AtomicLong

LongAdder 实现原理

LongAdder是根据锁分段来实现的，它里面维护一组按需分配的计数单元，并发计数时，不同的线程可以在不同的计数单元上进行计数，这样减少了线程竞争，提高了并发效率。本质上是用空间换时间的思想，不过在实际高并发情况中消耗的空间可以忽略不计。

LongAdder 具体实现

具体实现LongAdder的基本思路就是分散热点，将value值分散到一个Cell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。

sum()会将所有Cell数组中的value和base累加作为返回值，核心的思想就是将之前AtomicLong一个value的更新压力分散到多个value中去，从而降级更新热点。

cells数组操作示例图如下：

LongAdder在无竞争的情况，跟AtomicLong一样，对同一个base进行操作

当出现竞争关系时则是采用化整为零的做法，从空间换时间，用一个数组cells，将一个value拆分进这个数组Cells。多个线程需要同时对value进行操作时，可以对线程id进行hash得到hash值，再根据hash值映射到这个数组cells的某个下标，再对该下标所对应的值进行自增操作。

当所有线程操作完毕，将数组cells的所有值和无竞争值base都加起来作为最终结果。

总结：
如果无并发，单线程下直接CAS操作更新base值；非竞态条件下，直接累加到变量base上
如果有并发，多线程下分段CAS操作更新Cell数组值；竞态条件下，累加各个线程到自己的槽Cell[]中

总结

现在，在处理高并发计数时，应该优先使用LongAdder，而不是继续使用AtomicLong。当然，线程竞争很低的情况下进行计数，使用Atomic还是更简单更直接，并且效率稍微高一些。

其他情况，比如序号生成，这种情况下需要准确的数值，全局唯一的 AtomicLong 才是正确的选择，此时不应该使用 LongAdder。