【转载】jdk1.8 LongAdder源码学习
本文转自https://blog.csdn.net/u011392897/article/details/60480108
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。
// 很简单的一个类,这个类可以看成是一个简化的AtomicLong
// 通过cas操作来更新value的值
// @sun.misc.Contended是一个高端的注解,代表使用缓存行填来避免伪共享,可以自己网上搜下,这个我就不细说了
@sun.misc.Contended 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);
} // Unsafe mechanics Unsafe相关的初始化
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long valueOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> ak = Cell.class;
valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset (ak.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
}
四个实现类的区别就上面这两句话,这里只讲LongAdder一个类。
二、核心实现Striped64
// 很简单的一个类,这个类可以看成是一个简化的AtomicLong
// 通过cas操作来更新value的值
// @sun.misc.Contended是一个高端的注解,代表使用缓存行填来避免伪共享,可以自己网上搜下,这个我就不细说了
@sun.misc.Contended 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);
} // Unsafe mechanics Unsafe相关的初始化
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long valueOffset;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> ak = Cell.class;
valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset (ak.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
}
2、Striped64主体代码
abstract class Striped64 extends Number {
@sun.misc.Contended static final class Cell { ... } /** Number of CPUS, to place bound on table size */
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); // cell数组,长度一样要是2^n,可以类比为jdk1.7的ConcurrentHashMap中的segments数组
transient volatile Cell[] cells; // 累积器的基本值,在两种情况下会使用:
// 1、没有遇到并发的情况,直接使用base,速度更快;
// 2、多线程并发初始化table数组时,必须要保证table数组只被初始化一次,因此只有一个线程能够竞争成功,这种情况下竞争失败的线程会尝试在base上进行一次累积操作
transient volatile long base; // 自旋标识,在对cells进行初始化,或者后续扩容时,需要通过CAS操作把此标识设置为1(busy,忙标识,相当于加锁),取消busy时可以直接使用cellsBusy = 0,相当于释放锁
transient volatile int cellsBusy; Striped64() {
} // 使用CAS更新base的值
final boolean casBase(long cmp, long val) {
return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, BASE, cmp, val);
} // 使用CAS将cells自旋标识更新为1
// 更新为0时可以不用CAS,直接使用cellsBusy就行
final boolean casCellsBusy() {
return UNSAFE.compareAndSwapInt(this, CELLSBUSY, 0, 1);
} // 下面这两个方法是ThreadLocalRandom中的方法,不过因为包访问关系,这里又重新写一遍 // probe翻译过来是探测/探测器/探针这些,不好理解,它是ThreadLocalRandom里面的一个属性,
// 不过并不影响对Striped64的理解,这里可以把它理解为线程本身的hash值
static final int getProbe() {
return UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE);
} // 相当于rehash,重新算一遍线程的hash值
static final int advanceProbe(int probe) {
probe ^= probe << 13; // xorshift
probe ^= probe >>> 17;
probe ^= probe << 5;
UNSAFE.putInt(Thread.currentThread(), PROBE, probe);
return probe;
} /**
* 核心方法的实现,此方法建议在外部进行一次CAS操作(cell != null时尝试CAS更新base值,cells != null时,CAS更新hash值取模后对应的cell.value)
* @param x the value 前面我说的二元运算中的第二个操作数,也就是外部提供的那个操作数
* @param fn the update function, or null for add (this convention avoids the need for an extra field or function in LongAdder).
* 外部提供的二元算术操作,实例持有并且只能有一个,生命周期内保持不变,null代表LongAdder这种特殊但是最常用的情况,可以减少一次方法调用
* @param wasUncontended false if CAS failed before call 如果为false,表明调用者预先调用的一次CAS操作都失败了
*/
final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn, boolean wasUncontended) {
int h;
// 这个if相当于给线程生成一个非0的hash值
if ((h = getProbe()) == 0) {
ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
h = getProbe();
wasUncontended = true;
}
boolean collide = false; // True if last slot nonempty 如果hash取模映射得到的Cell单元不是null,则为true,此值也可以看作是扩容意向,感觉这个更好理解
for (;;) {
Cell[] as; Cell a; int n; long v;
if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) { // cells已经被初始化了
if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) { // hash取模映射得到的Cell单元还为null(为null表示还没有被使用)
if (cellsBusy == 0) { // Try to attach new Cell 如果没有线程正在执行扩容
Cell r = new Cell(x); // Optimistically create 先创建新的累积单元
if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) { // 尝试加锁
boolean created = false;
try { // Recheck under lock 在有锁的情况下再检测一遍之前的判断
Cell[] rs; int m, j;
if ((rs = cells) != null && (m = rs.length) > 0 && rs[j = (m - 1) & h] == null) { // 考虑别的线程可能执行了扩容,这里重新赋值重新判断
rs[j] = r; // 对没有使用的Cell单元进行累积操作(第一次赋值相当于是累积上一个操作数,求和时再和base执行一次运算就得到实际的结果)
created = true;
}
} finally {
cellsBusy = 0; 清空自旋标识,释放锁
}
if (created) // 如果原本为null的Cell单元是由自己进行第一次累积操作,那么任务已经完成了,所以可以退出循环
break;
continue; // Slot is now non-empty 不是自己进行第一次累积操作,重头再来
}
}
collide = false; // 执行这一句是因为cells被加锁了,不能往下继续执行第一次的赋值操作(第一次累积),所以还不能考虑扩容
}
else if (!wasUncontended) // CAS already known to fail 前面一次CAS更新a.value(进行一次累积)的尝试已经失败了,说明已经发生了线程竞争
wasUncontended = true; // Continue after rehash 情况失败标识,后面去重新算一遍线程的hash值
else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x)))) // 尝试CAS更新a.value(进行一次累积) ------ 标记为分支A
break; // 成功了就完成了累积任务,退出循环
else if (n >= NCPU || cells != as) // cell数组已经是最大的了,或者中途发生了扩容操作。因为NCPU不一定是2^n,所以这里用 >=
collide = false; // At max size or stale 长度n是递增的,执行到了这个分支,说明n >= NCPU会永远为true,下面两个else if就永远不会被执行了,也就永远不会再进行扩容
// CPU能够并行的CAS操作的最大数量是它的核心数(CAS在x86中对应的指令是cmpxchg,多核需要通过锁缓存来保证整体原子性),当n >= NCPU时,再出现几个线程映射到同一个Cell导致CAS竞争的情况,那就真不关扩容的事了,完全是hash值的锅了
else if (!collide) // 映射到的Cell单元不是null,并且尝试对它进行累积时,CAS竞争失败了,这时候把扩容意向设置为true
// 下一次循环如果还是跟这一次一样,说明竞争很严重,那么就真正扩容
collide = true; // 把扩容意向设置为true,只有这里才会给collide赋值为true,也只有执行了这一句,才可能执行后面一个else if进行扩容
else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) { // 最后再考虑扩容,能到这一步说明竞争很激烈,尝试加锁进行扩容 ------ 标记为分支B
try {
if (cells == as) { // Expand table unless stale 检查下是否被别的线程扩容了(CAS更新锁标识,处理不了ABA问题,这里再检查一遍)
Cell[] rs = new Cell[n << 1]; // 执行2倍扩容
for (int i = 0; i < n; ++i)
rs[i] = as[i];
cells = rs;
}
} finally {
cellsBusy = 0; // 释放锁
}
collide = false; // 扩容意向为false
continue; // Retry with expanded table 扩容后重头再来
}
h = advanceProbe(h); // 重新给线程生成一个hash值,降低hash冲突,减少映射到同一个Cell导致CAS竞争的情况
}
else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) { // cells没有被加锁,并且它没有被初始化,那么就尝试对它进行加锁,加锁成功进入这个else if
boolean init = false;
try { // Initialize table
if (cells == as) { // CAS避免不了ABA问题,这里再检测一次,如果还是null,或者空数组,那么就执行初始化
Cell[] rs = new Cell[2]; // 初始化时只创建两个单元
rs[h & 1] = new Cell(x); // 对其中一个单元进行累积操作,另一个不管,继续为null
cells = rs;
init = true;
}
} finally {
cellsBusy = 0; // 清空自旋标识,释放锁
}
if (init) // 如果某个原本为null的Cell单元是由自己进行第一次累积操作,那么任务已经完成了,所以可以退出循环
break;
}
else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x)))) // cells正在进行初始化时,尝试直接在base上进行累加操作
break; // Fall back on using base 直接在base上进行累积操作成功了,任务完成,可以退出循环了
}
} // double的不讲,更long的逻辑基本上是一样的
final void doubleAccumulate(double x, DoubleBinaryOperator fn, boolean wasUncontended); // Unsafe mechanics Unsafe初始化
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
private static final long BASE;
private static final long CELLSBUSY;
private static final long PROBE;
static {
try {
UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
Class<?> sk = Striped64.class;
BASE = UNSAFE.objectFieldOffset
(sk.getDeclaredField("base"));
CELLSBUSY = UNSAFE.objectFieldOffset
(sk.getDeclaredField("cellsBusy"));
Class<?> tk = Thread.class;
PROBE = UNSAFE.objectFieldOffset
(tk.getDeclaredField("threadLocalRandomProbe"));
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
} }
看完这个在来看看第一点中我提的问题:既然Cell这么简单,为什么不直接用long value?
public class LongAdder extends Striped64 implements Serializable { // 构造方法,什么也不做,直接使用默认值,base = 0, cells = null
public LongAdder() {
} // add方法,根据父类的longAccumulate方法的要求,这里要进行一次CAS操作
// (虽然这里有两个CAS,但是第一个CAS成功了就不会执行第二个,要执行第二个,第一个就被“短路”了不会被执行)
// 在线程竞争不激烈时,这样做更快
public void add(long x) {
Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
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)))
longAccumulate(x, null, uncontended);
}
} public void increment() {
add(1L);
} public void decrement() {
add(-1L);
} // 返回累加的和,也就是“当前时刻”的计数值
// 此返回值可能不是绝对准确的,因为调用这个方法时还有其他线程可能正在进行计数累加,
// 方法的返回时刻和调用时刻不是同一个点,在有并发的情况下,这个值只是近似准确的计数值
// 高并发时,除非全局加锁,否则得不到程序运行中某个时刻绝对准确的值,但是全局加锁在高并发情况下是下下策
// 在很多的并发场景中,计数操作并不是核心,这种情况下允许计数器的值出现一点偏差,此时可以使用LongAdder
// 在必须依赖准确计数值的场景中,应该自己处理而不是使用通用的类
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;
} // 重置计数器,只应该在明确没有并发的情况下调用,可以用来避免重新new一个LongAdder
public void reset() {
Cell[] as = cells; Cell a;
base = 0L;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
a.value = 0L;
}
}
} // 相当于sum()后再调用reset()
public long sumThenReset() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
base = 0L;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null) {
sum += a.value;
a.value = 0L;
}
}
}
return sum;
} // 其他的不说了
}
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