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目录

1 AtomicLong

1.1 核心功能

1.2 实现原理：

(1）基于 Unsafe 的底层操作

(2) volatile字段的内存可见性

(3）CAS 操作与 ABA 问题

1.3 性能分析

1.4 使用场景

2 LongAdder

核心设计原理

1 分段存储

2 分散更新策略

3.处理高竞争

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1 AtomicLong

AtomicLong 是一个基于 CAS操作的原子类，用于在多线程环境下对 long 类型变量进行无锁的原子性操作。它通过底层的 Unsafe 类实现高效的原子更新，解决传统 synchronized 关键字带来的性能开销问题。

1.1 核心功能

AtomicLong 支持以下原子操作：

方法	功能	实现原理
add(long delta)	原子性地将变量增加 delta	CAS 操作
incrementAndGet()	原子性自增 1 并返回新值	add(1L)
decrementAndGet()	原子性自减 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)	原子性设置新值并返回原值	CAS 操作
compareAndSet(long expect, long update)	原子性将值从 expect 更新为 update （如果相等）	CAS 操作
get()	获取当前值（非原子，但保证可见性）	直接读取 value 字段

1.2 实现原理：

(1）基于 Unsafe 的底层操作

AtomicLong 的所有原子方法均通过 sun.misc.Unsafe 类的底层原生指令实现，例如：

objectFieldOffset：获取long value字段在对象内存中的偏移量

getAndAddLong：通过CPU的CAS指令（如 cmpxchgq）原子性更新内存中的值。

(2) volatile字段的内存可见性

AtomicLong 的 value 字段声明为 volatile ，确保一个线程的修改对其它线程可见：

(3）CAS 操作与 ABA 问题

• CAS 操作

CAS（Compare-And-Swap）包含三个步骤：

1. 比较：读取内存中的旧值 expect。
2. 交换：如果旧值等于 expect，则将新值 update 写入内存；否则不操作。
3. 返回结果：返回内存中的旧值。

• ABA 问题
• 场景：变量从 A → B → A，此时 compareAndSet(A, C) 会错误地认为值未变，导致更新失败。
• 解决方案：

• • AtomicStampedReference：引入版本戳（stamp）标记变量的修改次数，解决 ABA 问题。
  • LongAdder：通过分散更新压力避免单一变量的频繁 CAS 冲突。

1.3 性能分析

优势

• 无锁操作：避免线程阻塞和上下文切换，性能优于 synchronized。
• 读写高效：get() 方法是非原子的，但保证内存可见性，读取速度极快。
• 适用场景：低到中等并发场景，如计数器、单变量累加器。

局限性

• 高并发瓶颈：当多个线程激烈竞争同一变量时，CAS 失败次数剧增，导致自旋开销（spin-wait）。
• ABA 问题：需额外处理或改用 AtomicStampedReference。

1.4 使用场景

低竞争环境：如单机多线程的计数器、序列号生成。

需要强原子性保证：如银行账户扣款、分布式锁的版本控制。

2 LongAdder

设计目标：LongAdder是Java 8引入的原子类，属于 java.util.concurrent.atomic 包，专为高并发场景下的累加操作优化。它的核心目标是解决AtomicLong 在及极高并发下的性能瓶颈——通过分散压力来减少线程间的CAS冲突。

核心设计原理

1 分段存储

• cells数组: LongAdder维护一个动态增长的long[]cells数组，每个元素成为一个cell，用于存储部分累加值。
• base变量：所有cell之外的累加值存储在base中，默认情况下，单个线程的增量优先base，当base发生竞争时，才会分配新的cell。

2 分散更新策略

1. 优先更新 base（①）：
   1. 若 cells 未初始化（null），或通过 casBase 成功将 base 加上 x，直接返回。casBase 是 Striped64 提供的原子操作，用于更新 base。
2. 处理 cells 分段（②-④）：
   1.  哈希索引计算：getProbe() 返回与当前线程绑定的哈希值（通过 ThreadLocalRandom 生成），并与数组长度掩码按位与，得到目标 cell 的索引。
   2. CAS 更新 cell：若目标 cell 为空，通过 casCell 初始化为新值；否则尝试原子性增加 cell 的值。
   3. 竞争标记：若 CAS 失败（uncontended = false），表示存在线程竞争。

3.处理高竞争

调用 longAccumulate 方法，可能触发以下操作：

• 动态扩容：若 cells 数组过小，倍增其大小并将 base 值分布到新 cell 中。
• 批量写入：将当前线程的增量暂存到临时变量，直到找到可写入的 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 优先尝试更新 baseboolean uncontended = true;if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 || // ② 处理未初始化或空数组(a = as[getProbe() & m]) == null ||     // ③ 计算哈希索引并获取目标 cell!(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))) { // ④ CAS 更新 celllongAccumulate(x, null, uncontended); // ⑤ 处理竞争，触发动态扩容}}
}

sum方法：返回base值和cells数组的总和

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：重置变量，使总和保持为零。

此方法可能是创建新 adder 的有用替代方法，但仅在没有并发更新时有效。由于此方法本质上是 racy，因此仅当已知没有线程同时更新时，才应使用它。

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：返回当前总和后清零，适用于离线统计场景

实际上等效于 sum 后跟 reset。例如，在多线程计算之间的 static points 期间，此方法可能适用。如果存在与此方法并发的更新， 则不能保证 返回的值是重置之前出现的最终值。

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;
}