目錄

1 AtomicLong

1.1 核心功能

1.2 實現原理：

(1）基于 Unsafe 的底層操作

(2) volatile字段的內存可見性

(3）CAS 操作與 ABA 問題

1.3 性能分析

1.4 使用場景

2 LongAdder

核心設計原理

1 分段存儲

2 分散更新策略

3.處理高競爭

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1 AtomicLong

AtomicLong 是一個基于 CAS操作的原子類，用于在多線程環境下對 long 類型變量進行無鎖的原子性操作。它通過底層的 Unsafe 類實現高效的原子更新，解決傳統 synchronized 關鍵字帶來的性能開銷問題。

1.1 核心功能

AtomicLong 支持以下原子操作：

方法	功能	實現原理
add(long delta)	原子性地將變量增加 delta	CAS 操作
incrementAndGet()	原子性自增 1 并返回新值	add(1L)
decrementAndGet()	原子性自減 1 并返回新值	add(-1L)
getAndAdd(long delta)	原子性增加 delta 并返回原值	CAS 操作
getAndSet(long newValue)	原子性設置新值并返回原值	CAS 操作
compareAndSet(long expect, long update)	原子性將值從 expect 更新為 update （如果相等）	CAS 操作
get()	獲取當前值（非原子，但保證可見性）	直接讀取 value 字段

1.2 實現原理：

(1）基于 Unsafe 的底層操作

AtomicLong 的所有原子方法均通過 sun.misc.Unsafe 類的底層原生指令實現，例如：

objectFieldOffset：獲取long value字段在對象內存中的偏移量

getAndAddLong：通過CPU的CAS指令（如 cmpxchgq）原子性更新內存中的值。

(2) volatile字段的內存可見性

AtomicLong 的 value 字段聲明為 volatile ，確保一個線程的修改對其它線程可見：

(3）CAS 操作與 ABA 問題

• CAS 操作

CAS（Compare-And-Swap）包含三個步驟：

1. 比較：讀取內存中的舊值 expect。
2. 交換：如果舊值等于 expect，則將新值 update 寫入內存；否則不操作。
3. 返回結果：返回內存中的舊值。

• ABA 問題
• 場景：變量從 A → B → A，此時 compareAndSet(A, C) 會錯誤地認為值未變，導致更新失敗。
• 解決方案：

• • AtomicStampedReference：引入版本戳（stamp）標記變量的修改次數，解決 ABA 問題。
  • LongAdder：通過分散更新壓力避免單一變量的頻繁 CAS 沖突。

1.3 性能分析

優勢

• 無鎖操作：避免線程阻塞和上下文切換，性能優于 synchronized。
• 讀寫高效：get() 方法是非原子的，但保證內存可見性，讀取速度極快。
• 適用場景：低到中等并發場景，如計數器、單變量累加器。

局限性

• 高并發瓶頸：當多個線程激烈競爭同一變量時，CAS 失敗次數劇增，導致自旋開銷（spin-wait）。
• ABA 問題：需額外處理或改用 AtomicStampedReference。

1.4 使用場景

低競爭環境：如單機多線程的計數器、序列號生成。

需要強原子性保證：如銀行賬戶扣款、分布式鎖的版本控制。

2 LongAdder

設計目標：LongAdder是Java 8引入的原子類，屬于 java.util.concurrent.atomic 包，專為高并發場景下的累加操作優化。它的核心目標是解決AtomicLong 在及極高并發下的性能瓶頸——通過分散壓力來減少線程間的CAS沖突。

核心設計原理

1 分段存儲

• cells數組: LongAdder維護一個動態增長的long[]cells數組，每個元素成為一個cell，用于存儲部分累加值。
• base變量：所有cell之外的累加值存儲在base中，默認情況下，單個線程的增量優先base，當base發生競爭時，才會分配新的cell。

2 分散更新策略

1. 優先更新 base（①）：
   1. 若 cells 未初始化（null），或通過 casBase 成功將 base 加上 x，直接返回。casBase 是 Striped64 提供的原子操作，用于更新 base。
2. 處理 cells 分段（②-④）：
   1. ?哈希索引計算：getProbe() 返回與當前線程綁定的哈希值（通過 ThreadLocalRandom 生成），并與數組長度掩碼按位與，得到目標 cell 的索引。
   2. CAS 更新 cell：若目標 cell 為空，通過 casCell 初始化為新值；否則嘗試原子性增加 cell 的值。
   3. 競爭標記：若 CAS 失敗（uncontended = false），表示存在線程競爭。

3.處理高競爭

調用 longAccumulate 方法，可能觸發以下操作：

• 動態擴容：若 cells 數組過小，倍增其大小并將 base 值分布到新 cell 中。
• 批量寫入：將當前線程的增量暫存到臨時變量，直到找到可寫入的 cell。

public void add(long x) {Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) { // ① 優先嘗試更新 baseboolean uncontended = true;if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 || // ② 處理未初始化或空數組(a = as[getProbe() & m]) == null ||     // ③ 計算哈希索引并獲取目標 cell!(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))) { // ④ CAS 更新 celllongAccumulate(x, null, uncontended); // ⑤ 處理競爭，觸發動態擴容}}
}

sum方法：返回base值和cells數組的總和

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;
}

reset方法：重置變量，使總和保持為零。

此方法可能是創建新 adder 的有用替代方法，但僅在沒有并發更新時有效。由于此方法本質上是 racy，因此僅當已知沒有線程同時更新時，才應使用它。

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;}}
}

sumThenReset方法：返回當前總和后清零，適用于離線統計場景

實際上等效于 sum 后跟 reset。例如，在多線程計算之間的 static points 期間，此方法可能適用。如果存在與此方法并發的更新， 則不能保證 返回的值是重置之前出現的最終值。

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;
}