Java并发编程--原子操作类原理剖析

绝地灬酷狼 2023-07-01 08:53 79阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1. AtomicLong类
 *   *   *  (1). 递增和递减操作
         *  (2). boolean compareAndSet(long expect,long update)方法
 *  2. LongAdder类
 *   *  2.1 介绍
     *  2.2 LongAdder代码分析
     *   *  (1). LongAdder的结构
         *  (2). 线程应访问数组中的哪个Cell元素？
         *  (3). 初始化Cell数组
         *  (4). 何时进行Cell数组的扩容
         *  (5). 分配的Cell的冲突处理
         *  (6). 保证被分配的Cell的原子性
 *  3. LongAccumulator类原理探究

JUC包(java.util.concurrent)提供了一系列原子性操作类,这些类都是使用非阻塞算法CAS实现的,相比使用锁实现原子性操作在性能上有很大提高.

# 1. AtomicLong类 #

JUC并发包包含有AtomicInteger,AtomicLong,AtomicBoolean等原子性操作类,原理都是CAS算法.

以下都是以AtomicLong类为例

### (1). 递增和递减操作 ###

// 自增,然后获取值
    public final long incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L) + 1L;
    }
    
    // 自减,然后获取值
    public final long decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, -1L) - 1L;
    }
    
    // 先获取值,然后自增
    public final long getAndIncrement() {
            return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
        }
    
    // 先获取值,然后自减
    public final long getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, -1L);
    }

这些方法内部都是通过Unsafe的getAndAddLong方法来实现操作,原操作返回的都是修改之前的值.

### (2). boolean compareAndSet(long expect,long update)方法 ###

功能：如果当前值==except，则更新值为update，返回true,否则返回false

直接调用了unsafe.compareAndSwapLong()方法.

如果变量的值等于expect,替换为update并返回true,否则返回flase.

# 2. LongAdder类 #

## 2.1 介绍 ##

使用AtomicLong时,高并发情况下,由于CAS操作的缺陷,会导致大量线程同时竞争更新一个原子变量,会有大量线程竞争失败后无限循环进行自旋尝试  
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LongAdder类中将一个变量分解为多个变量,让每个线程都可以有线程可以操作,解决了性能问题.

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

在LongAdder类中,内部维护了多个Cell变量和一个base值.每一个Cell里都有一个初始值为0的long型变量,多个线程竞争同一个Cell原子变量使如果失败了,不会一直自旋式的重试,而是试图在其他Cell上进行CAS尝试.

Cell占用的内存相对较大,在使用时才会创建,也就是惰性加载.

一开始所有的累加操作都是对base变量进行的,当并发大了之后,初始化Cell数组,并保存Cell数量为2^n(初次为2)

原子性数组的内存是连续的,所以要使用@sun.misc.Contended注解对Cell类记性字节填充，防止了多个数组中多个元素共享一个缓存行

## 2.2 LongAdder代码分析 ##

### (1). LongAdder的结构 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

LongAdder类继承自Striped64类,其内部维护着三个变量:base,cells\[\]和cellsBusy.前两个变量用来记性计数,第三个变量用来实现自旋锁,只有0和1两个值.

Cell的构造很简单,内部维护一个被声明为volatile的变量(保证可见性),通过CAS操作进行更新(保证原子性)

**1). long sum()**

返回当前的计数和.返回的是调用时的快照,多线程情况下是可能对其改变的.所以LongAdder并不能完全代替LongAtomic.

**2). void reset()**

重置操作,将base置为零,如果Cell数组有元素,全部重置为0.

**3). long sumThenReset**

sum的改造版本,返回计数和,并重置.

多线程下会有问题,一个线程将值置为0,那么其他线程就是在0上面进行计数了.

**4). long longValue()**

等价于sum

**5). void add(long x)**

如果Cell数组为空,则在base上进行计数,如果Cell不为空或者CAS操作失败了,获取当前线程应该访问的cells数组中的Cell元素(使用 getProbe()&(cells.length-1) 计算其下标).如果cells的元素个数小于当前机器CPU的个数,并且当前出现了CAS错误,就会进行cells数组的扩容.

> getProbe()用于获取当前线程中变量threadLocalRandomProbe的值,可以看作是线程的hash值,CAS失败线程会重新计算这个值,以减少下次冲突的可能性.

**6). void longAccumulate(…)**

这个方法用来进行cells数组的初始化和扩容.

在进行扩容或者初始化时,会先将cellsBusy设置为1,当当前线程开始进行方法内部逻辑时,别的线程不能进行扩容.不使用CAS,因为cellsBusy变量是声明为volatile类型的.

扩容时进行的操作是建立一个2被于原来容量的数组,将原数组的值复制进去.

### (2). 线程应访问数组中的哪个Cell元素？ ###

通过getProbe()&m计算得到的。

getProbe()用于获取当前线程中变量threadLocalRandomProbe的值

m是当前cells数组元素个数-1

### (3). 初始化Cell数组 ###

1.  首先通过CAS设置cellBusy为1(表示有线程对其初始化或扩容操作)
2.  初始化cell数组元素个数为2
3.  使用getProbe()&1计算当前线程应访问的数组位置
4.  标示cell数组被初始化
5.  重置cellBusy标记

### (4). 何时进行Cell数组的扩容 ###

当前cells的元素个数<当前机器CPU个数，并且当前多个线程访问了cells中同一个元素，从而导致冲突使其中一个线程CAS失败时才会进行扩容

### (5). 分配的Cell的冲突处理 ###

对CAS失败的线程重新计算当前线程的随机值threadLocalRandomProbe，以减少下次访问cells元素时冲突的机会

### (6). 保证被分配的Cell的原子性 ###

通过CAS操作，保证当前线程更新时被分配的Cell元素中value值的原子性

# 3. LongAccumulator类原理探究 #

LongAdder类是LongAccumulator类的一个特例,后者比前者功能更强大.可以提供非0的初始值,可以自定义计数规则.

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