1. 无锁解决线程安全问题
2. CAS 与 volatile
3. 原子整数
4. 原子引用
5. 原子数组
6. 字段更新器
7. 原子累加器
- 7.1 AtomicLong Vs LongAdder
- 7.2 LongAdder源码
8. 底层Unsafe类
9. 总结

管程即 monitor 是阻塞式的悲观锁实现并发控制，这章我们将通过非阻塞式的乐观锁的来实现并发控制

1. 无锁解决线程安全问题

案例

有10000元，1000个线程每次取10元，最终结果应该为0元。

public class Code_04_UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) {
        Account acount = new AccountUnsafe(10000);
        Account.demo(acount);
    }
}
class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return this.balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
         this.balance -= amount;
    }
}
interface Account {
    // 获取金额的方法
    Integer getBalance();
    // 取款的方法
    void withdraw(Integer amount);
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        list.forEach(Thread::start);
        list.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

490 cost: 215 ms

存在线程安全问题。withdraw方法不是原子的，又有读操作，又有写操作。

使用synchronized修改withdraw方法 ```java @Override public void withdraw(Integer amount) {
```
  synchronized (this) { // 加锁。
      this.balance -= amount;
  }
```
}

```java
0 cost: 190 ms

使用无锁实现线程安全问题 ```java public class Test1 {

public static void main(String[] args) {
```
  Account acount = new AccountCas(10000);
  Account.demo(acount);
```
} }

class AccountCas implements Account {

private AtomicInteger balance;
public AccountCas(int balance) {
    this.balance = new AtomicInteger(balance);
}
@Override
public Integer getBalance() {
    return balance.get();
}
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
    while (true){
        // 余额最新值
        int prev = balance.get();
        // 修改后的余额
        int next = prev - amount;
        // 修改的余额同步到主存中
        // 修改成功，退出；修改失败，重新操作循环
        if (balance.compareAndSet(prev, next)){
            break;
        }
    }
     //balance.addAndGet(-1 * amount);
}

}

interface Account {

// 获取金额的方法
Integer getBalance();
// 取款的方法
void withdraw(Integer amount);
static void demo(Account account) {
    List<Thread> list = new ArrayList<>();
    long start = System.nanoTime();
    for(int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(new Thread(() -> {
            account.withdraw(10);
        }));
    }
    list.forEach(Thread::start);
    list.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    long end = System.nanoTime();
    System.out.println(account.getBalance()
            + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
}

}

```java
0 cost: 177 ms

2. CAS 与 volatile

2.1 CAS

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？其中的关键是 compareAndSwap（比较并设置值），它的简称就是 CAS（也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。
CAS的全称为Compare-And-Swap ,它是一条CPU并发原语,比较工作内存值(预期值)和主物理内存的共享值是否相同,相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存的值一致为止。这个过程是原子的(AtomicInteger类主要利用CAS(compare and swap)+volatile和native方法来保证原子操作,从而避免synchronized的高开销,执行效率大为提升)

public void withdraw(Integer amount) {
        while (true){
            // 余额最新值
            int prev = balance.get();
            // 修改后的余额
            int next = prev - amount;
            // 修改的余额同步到主存中
            // 修改成功，退出；修改失败，重新操作循环
            if (balance.compareAndSet(prev, next)){
                break;
            }
        }
    }

如图所示，它的工作流程如下：当一个线程要去修改 Account 对象中的值时，先获取值 preVal（调用get方法），然后再将其设置为新的值 nextVal（调用 cas 方法）。在调用 cas 方法时，会将 pre 与 Account 中的余额进行比较。

如果两者相等，就说明该值还未被其他线程修改，此时便可以进行修改操作。
如果两者不相等，就不设置值，重新获取值 preVal（调用get方法），然后再将其设置为新的值 nextVal（调用cas方法），直到修改成功为止。

注意：

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

2.2 volatile
获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
注意：volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）
CAS 是原子性操作借助 volatile 读取到共享变量的新值来实现【比较并交换】的效果

AtomicInteger类的源码

 private volatile int value;

2.3 为什么无锁效率高

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻：线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。

2.4 CAS 的特点
结合CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。
CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
- 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
- 但如果竞争激烈(写操作多)，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响
  2.5 CAS的缺点
  CAS不加锁，保证一次性，但是需要多次比较
循环时间长，开销大（因为执行的是do while，如果比较不成功一直在循环，最差的情况，就是某个线程一直取到的值和预期值都不一样，这样就会无限循环）
只能保证一个共享变量的原子操作
- 当对一个共享变量执行操作时，我们可以通过循环CAS的方式来保证原子操作
- 但是对于多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候只能用锁来保证原子性
存在ABA问题

3. 原子整数
java.util.concurrent.atomic并发包提供了一些并发工具类，这里把它分成五类：
使用原子的方式更新基本类型
AtomicInteger：整型原子类
AtomicLong：长整型原子类
AtomicBoolean ：布尔型原子类

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们将以 AtomicInteger 为例子来介绍。

public class Test2 {
   public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
        System.out.println(i.incrementAndGet()); // ++i  1
        System.out.println(i.getAndIncrement()); // i++  2，返回1
        System.out.println(i.get()); // 2
        System.out.println(i.decrementAndGet()); // --i  1
        System.out.println(i.getAndDecrement()); // i--  0，返回1
        // 自定义增加值
        System.out.println(i.addAndGet(5)); // 先增再获取  5
        System.out.println(i.getAndAdd(5)); // 先后去再增  10，返回5
        System.out.println(i.get()); // 10
        // 复杂运算
        // 参数：IntUnaryOperator接口，返回设置的值
        //System.out.println(i.updateAndGet(x -> x * 10)); // 100
        // 等价于
//        while (true){
//            int pre = i.get();
//            int next = pre * 10;
//            if (i.compareAndSet(pre, next)){
//                System.out.println(i);
//                break;
//            }
//        }
        updateAndGet(i, p-> p/2); // 5
    }
    // 自定义方法
    public static int updateAndGet(AtomicInteger i, IntUnaryOperator operator){
        while (true){
            int pre = i.get();
            int next = operator.applyAsInt(pre);
            if (i.compareAndSet(pre, next)){
                return next;
            }
        }
    }
}

4. 原子引用

为什么需要原子引用类型？保证引用类型的共享变量是线程安全的（确保这个原子引用没有引用过别人）。
基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用引用类型原子类。

AtomicReference：引用类型原子类
AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。
AtomicMarkableReference ：原子更新带有标记的引用类型。该类将 boolean 标记与引用关联起。

4.1 AtomicReference
```java public class Test3 {

public static void main(String[] args) {
```
  DecimalAccount.demo(new DecimalAccountCas(new BigDecimal("10000")));
```
} }

class DecimalAccountCas implements DecimalAccount {

private AtomicReference<BigDecimal> balance;
public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
    this.balance = new AtomicReference<>(balance);
}
@Override
public BigDecimal getBalance() {
    return balance.get();
}
// 取款任务
@Override
public void withdraw(BigDecimal amount) {
    while (true){
        BigDecimal prev = balance.get();
        BigDecimal next = prev.subtract(amount);
        if (balance.compareAndSet(prev, next)){
            break;
        }
    }
}

}

interface DecimalAccount {

// 获取金额的方法
BigDecimal getBalance();
// 取款的方法
void withdraw(BigDecimal amount);
static void demo(DecimalAccount account) {
    List<Thread> list = new ArrayList<>();
    long start = System.nanoTime();
    for(int i = 0; i < 1000; i++) {
        list.add(new Thread(() -> {
            account.withdraw(BigDecimal.TEN);
        }));
    }
    list.forEach(Thread::start);
    list.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    long end = System.nanoTime();
    System.out.println(account.getBalance()
            + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
}

}

上述代码是将之前例子中的Integer改成了BigDecimal，依然是线程不安全的。
- 改造：
```java
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountCas(new BigDecimal("10000")));
    }
}
class DecimalAccountCas implements DecimalAccount {
    private AtomicReference<BigDecimal> balance;
    public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance.get();
    }
    // 取款任务
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true){
            BigDecimal prev = balance.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (balance.compareAndSet(prev, next)){
                break;
            }
        }
    }
}
interface DecimalAccount {
    // 获取金额的方法
    BigDecimal getBalance();
    // 取款的方法
    void withdraw(BigDecimal amount);
    static void demo(DecimalAccount account) {
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for(int i = 0; i < 1000; i++) {
            list.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        list.forEach(Thread::start);
        list.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
}

0 cost: 191 ms

4.2 ABA问题

@Slf4j
public class Test4 {
    public static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        String preVal = ref.get();
        other();
        Thread.sleep(1);
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(preVal, "C"));
    }
    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
        }, "t1").start();
        Thread.sleep(1);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }, "t2").start();
    }
}

23:34:04.515 [main] DEBUG com.ll.ch5.Test4 - main start...
23:34:04.566 [t1] DEBUG com.ll.ch5.Test4 - change A->B true
23:34:04.567 [t2] DEBUG com.ll.ch5.Test4 - change B->A true
23:34:04.568 [main] DEBUG com.ll.ch5.Test4 - change A->C true

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，如果主线程希望：只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号。使用AtomicStampedReference来解决。

4.3 AtomicStampedReference

使用 AtomicStampedReference 加 stamp （版本号或者时间戳）的方式解决 ABA 问题。代码如下：

@Slf4j(topic = "c.Test4")
public class Test4 {
    public static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        String preVal = ref.getReference();
        int stamp = ref.getStamp();
        log.debug("{}", stamp);
        other();
        Thread.sleep(1);
        log.debug("{}", stamp);
        log.debug("{}", ref.getStamp());
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(preVal, "C", stamp, stamp + 1));
    }
    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            log.debug("{}", stamp);
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", stamp, stamp + 1));
        }, "t1").start();
        Thread.sleep(1);
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            log.debug("{}", stamp);
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", stamp, stamp + 1));
        }, "t2").start();
    }
}

08:26:06.395 [main] DEBUG c.Test4 - main start...
08:26:06.398 [main] DEBUG c.Test4 - 0
08:26:06.439 [t1] DEBUG c.Test4 - 0
08:26:06.440 [t1] DEBUG c.Test4 - change A->B true
08:26:06.441 [t2] DEBUG c.Test4 - 1
08:26:06.441 [t2] DEBUG c.Test4 - change B->A true
08:26:06.442 [main] DEBUG c.Test4 - 0
08:26:06.442 [main] DEBUG c.Test4 - 2
08:26:06.442 [main] DEBUG c.Test4 - change A->C false

追踪变化过程，可以看到A再次变为A中间经过了两次修改，所以主线程再将A变为C时由于修改次数
stamp的改变而发生false。

4.4 AtomicMarkableReference

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如：A -> B -> A ->C，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference。

@Slf4j(topic = "c.Test5")
public class Test5 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        new Thread(()->{
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {}
            log.debug(bag.toString());
        },"保洁员").start();
        // 主线程想换垃圾袋
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线线程换一只垃圾袋");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？{}", success );
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}
class GarbageBag {
    String desc;
    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    public String getDesc() {
        return desc;
    }
    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + "  GarbageBag{" +
                "desc='" + desc + '\'' +
                '}';
    }

10:01:14.050 [main] DEBUG c.Test5 - 主线程start...
10:01:14.054 [main] DEBUG c.Test5 - com.ll.ch5.GarbageBag@2471cca7  GarbageBag{desc='装满了垃圾'}
10:01:14.104 [保洁员] DEBUG c.Test5 - 打扫卫生的线程 start...
10:01:14.105 [保洁员] DEBUG c.Test5 - com.ll.ch5.GarbageBag@2471cca7  GarbageBag{desc='空垃圾袋'}
10:01:15.108 [main] DEBUG c.Test5 - 主线线程换一只垃圾袋
10:01:15.109 [main] DEBUG c.Test5 - 换了么？false
10:01:15.111 [main] DEBUG c.Test5 - com.ll.ch5.GarbageBag@2471cca7  GarbageBag{desc='空垃圾袋'}

注释掉保洁员工作

10:02:39.012 [main] DEBUG c.Test5 - 主线程start...
10:02:39.017 [main] DEBUG c.Test5 - com.ll.ch5.GarbageBag@2471cca7  GarbageBag{desc='装满了垃圾'}
10:02:40.022 [main] DEBUG c.Test5 - 主线线程换一只垃圾袋
10:02:40.022 [main] DEBUG c.Test5 - 换了么？true
10:02:40.025 [main] DEBUG c.Test5 - com.ll.ch5.GarbageBag@2be94b0f  GarbageBag{desc='空垃圾袋'}

5. 原子数组

使用原子的方式更新数组里的某个元素

AtomicIntegerArray：整形数组原子类
AtomicLongArray：长整形数组原子类
AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们这里以 AtomicIntegerArray 为例子来介绍，代码如下：

public class Test6 {
    public static void main(String[] args) {
        // 普通数组
        demo(
                () -> new int[10],
                (array) -> array.length,
                (array, index) -> array[index]++,
                array -> System.out.println(Arrays.toString(array))
                );
        // 原子数组
         demo(
                () -> new AtomicIntegerArray(10),
                (array) -> array.length(),
                (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
                array -> System.out.println(array)
        );
    }
    /**
     * @param arraySupplier 提供数组，线程安全或不安全数组
     * @param lengthFun     获取数组程度的方法
     * @param putConsumer   自增方法，回传array，index
     * @param printConsumer 打印数组的方法
     * @param <T>
     */
    // supplier 提供者，无中生有 ()->结果
    // function 函数 一个参数一个结构 (参数)->结果 ， BiFunction(参数1，参数2)->结果
    // consumer 消费者  一个参数没结果 (参数) -> void   BiFunction(参数1，参数2)->void
    private static <T> void demo(
            Supplier<T> arraySupplier,
            Function<T, Integer> lengthFun,
            BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
            Consumer<T> printConsumer) {
        ArrayList<Thread> ts = new ArrayList<>(); // 创建集合
        T array = arraySupplier.get(); // 获取数组
        int length = lengthFun.apply(array); // 获取数组的长度
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j % length);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach((thread) -> {
            try {
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        printConsumer.accept(array);
    }
}

结果：

[8593, 8592, 8594, 8564, 8595, 8583, 8643, 8572, 8566, 8545]
[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

10个线程每个线程自增了10000次，一共100000次。平均下来应该是每个值是10000。说明多线程下，每个普通数组的元素线程不安全。使用原子数组可以保证线程安全。

6. 字段更新器

保证多个线程访问对象的成员变量时的线程安全性

AtomicReferenceFieldUpdater // 域字段
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater

注意：利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

例如：

@Slf4j(topic = "c.Test7")
public class Test7 {
    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class,
                String.class, "name");
        System.out.println(updater.compareAndSet(student, null, "张三"));
        System.out.println(student);
    }
}
class Student {
    volatile String name;
    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

true
Student{name='张三'}

7. 原子累加器

7.1 AtomicLong Vs LongAdder

代码示例

public class Test8 {
    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(() -> new AtomicLong(0), (ref) -> ref.getAndIncrement());
        }
        System.out.println("==============");
        for(int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(() -> new LongAdder(), (ref) -> ref.increment());
        }
    }
    /**
     *
     * @param supplier  ()->结果
     * @param consumer  (参数)->void
     * @param <T>
     */
    private static <T> void demo(Supplier<T> supplier, Consumer<T> consumer) {
        ArrayList<Thread> list = new ArrayList<>();
        T adder = supplier.get();
        // 4 个线程，每人累加 50 万
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            list.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                    consumer.accept(adder);
                }
            }));
        }
        long start = System.nanoTime();
        list.forEach(t -> t.start());
        list.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
    }
}

2000000 cost:51
2000000 cost:54
2000000 cost:47
2000000 cost:46
2000000 cost:47
==============
2000000 cost:16
2000000 cost:6
2000000 cost:13
2000000 cost:6
2000000 cost:6

执行代码后，发现使用 LongAdder 比 AtomicLong 更快，使用 LongAdder 性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元(但不会超过cpu的核心数，而AtomicLong只有一个累加单元)，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]… 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。

7.2 LongAdder源码

LongAdder 类有几个关键域
下面的变量属于 Striped64 被 LongAdder 继承。

public class LongAdder extends Striped64 implements Serializable {}
// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;
// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;
// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁，他是使用cas加锁的，保证cell数组在创建和扩容时的线程安全性
transient volatile int cellsBusy;

7.2.1 cas实现自旋锁

@Slf4j(topic = "c.Test9")
public class Test9 {
    // 0表示没加锁
    // 1表示加锁
    private AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);
    public void lock(){
        while (true){
            if (state.compareAndSet(0, 1)){
                break;
            }
        }
    }
    public void unlock(){
        log.debug("unlock...");
        state.set(0);
    }
    public static void main(String[] args) {
        Test9 lock = new Test9();
        new Thread(()->{
            log.debug("begin...");
            lock.lock();
            try {
                log.debug("lock...");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t1").start();
        new Thread(()->{
            log.debug("begin...");
            lock.lock();
            try {
                log.debug("lock....");
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t2").start();
    }
}

11:04:28.740 [t1] DEBUG c.Test9 - begin...
11:04:28.740 [t2] DEBUG c.Test9 - begin...
11:04:28.744 [t2] DEBUG c.Test9 - lock....
11:04:29.746 [t2] DEBUG c.Test9 - unlock...
11:04:29.746 [t1] DEBUG c.Test9 - lock...
11:04:30.751 [t1] DEBUG c.Test9 - unlock...

7.2.2 原理之伪共享

其中 Cell 即为累加单元类

// 防止缓存行 伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
    volatile long value;
    Cell(long x) { value = x; }
    // 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
    final boolean cas(long prev, long next) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
    }
    // 省略不重要代码
}

下面讨论 @sun.misc.Contended 注解的重要意义得从缓存说起，缓存与内存的速度比较

因为 CPU 与内存的速度差异很大，需要靠预读数据至缓存来提升效率。缓存离 cpu 越近速度越快。而缓存以缓存行为单位，每个缓存行对应着一块内存，一般是 64 byte（8 个 long），缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中，CPU 要保证数据的一致性，如果某个 CPU 核心更改了数据，其它 CPU 核心对应的整个缓存行必须失效。

因为 Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象。这样问题来了： Core-0 要修改 Cell[0]，Core-1 要修改 Cell[1]。无论谁修改成功，都会导致对方 Core 的缓存行失效，比如 Core-0 中 Cell[0]=6000, Cell[1]=8000 要累加 Cell[0]=6001, Cell[1]=8000 ，这时会让 Core-1 的缓存行失效。
@sun.misc.Contended 用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的padding，从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效。

7.2.3 add方法

public void increment() {
        add(1L);
    }
public void add(long x) {
        // as 为累加单元数组, b 为基础值, x 为累加值
        Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
           // 进入 if 的两个条件
        // 1. as 有值, 表示已经发生过竞争, 进入 if;否则as为null，判断cas是否给base累加成功
        // 2. cas 给 base 累加时失败了, 表示 base 发生了竞争, 进入 if
        // 3. 如果 as 没有创建, 然后 cas 累加成功就返回，累加到 base 中 不存在线程竞争的时候用到。
        if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
            // uncontended 表示 cell 是否有竞争，这里赋值为 true 表示有竞争
            boolean uncontended = true;
            // as 还没有创建
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                 // 当前线程对应的 cell 还没有被创建，a为当线程的cell
                (a = as[getProbe() & m]) == null ||
                // 给当前线程的 cell 累加失败 uncontended=false ( a 为当前线程的 cell )
                !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
                 // 当 cells 为空时，累加操作失败会调用方法，
                // 当 cells 不为空，当前线程的 cell 创建了但是累加失败了会调用方法，
                // 当 cells 不为空，当前线程 cell 没创建会调用这个方法
                // 进入 cell 数组创建、cell 创建的流程
                longAccumulate(x, null, uncontended);
        }
    }

longAccumulate方法

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                              boolean wasUncontended) {
        int h;
        // 当前线程还没有对应的 cell, 需要随机生成一个 h 值用来将当前线程绑定到 cell
        if ((h = getProbe()) == 0) {
            // 初始化 probe
            ThreadLocalRandom.current();
            // h 对应新的 probe 值, 用来对应 cell
            h = getProbe();
            wasUncontended = true;
        }
        // collide 为 true 表示需要扩容
        boolean collide = false;
        for (;;) {
            Cell[] as; Cell a; int n; long v;
            // 已经有了 cells
            if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
                // 但是还没有当前线程对应的 cell
                if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                    // 为 cellsBusy 加锁, 创建 cell, cell 的初始累加值为 x
                    // 成功则 break, 否则继续 continue 循环
                    if (cellsBusy == 0) {       // Try to attach new Cell
                        Cell r = new Cell(x);   // Optimistically create
                        if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                            boolean created = false;
                            try {               // Recheck under lock
                                Cell[] rs; int m, j;
                                if ((rs = cells) != null &&
                                    (m = rs.length) > 0 &&
                                    // 判断槽位确实是空的
                                    rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                    rs[j] = r;
                                    created = true;
                                }
                            } finally {
                                cellsBusy = 0;
                            }
                            if (created)
                                break;
                            continue;           // Slot is now non-empty
                        }
                }
                // 有竞争, 改变线程对应的 cell 来重试 cas
                else if (!wasUncontended)
                    wasUncontended = true;
                    // cas 尝试累加, fn 配合 LongAccumulator 不为 null, 配合 LongAdder 为 null
                else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))
                    break;
                    // 如果 cells 长度已经超过了最大长度, 或者已经扩容, 改变线程对应的 cell 来重试 cas
                else if (n >= NCPU || cells != as)
                    collide = false;
                    // 确保 collide 为 false 进入此分支, 就不会进入下面的 else if 进行扩容了
                else if (!collide)
                    collide = true;
                    // 加锁
                else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                    // 加锁成功, 扩容
                    continue;
                }
                // 改变线程对应的 cell
                h = advanceProbe(h);
            }
            // 还没有 cells, cells==as是指没有其它线程修改cells，as和cells引用相同的对象，使用casCellsBusy()尝试给 cellsBusy 加锁
            else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
                // 加锁成功, 初始化 cells, 最开始长度为 2, 并填充一个 cell
                // 成功则 break;
                boolean init = false;
                try {                           // Initialize table
                    if (cells == as) {
                        Cell[] rs = new Cell[2];
                        rs[h & 1] = new Cell(x);
                        cells = rs;
                        init = true;
                    }
                } finally {
                    cellsBusy = 0;
                }
                if (init)
                    break;
            }
            // 上两种情况失败, 尝试给 base 使用casBase累加
            else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))
                break;
        }
    }

7.2.4 sum方法

获取最终结果通过 sum 方法，将各个累加单元的值加起来就得到了总的结果。

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;
    }

8. 底层Unsafe类

Unsafe指的不是线程不安全，而是非常底层，操作内存、线程等，不建议程序员直接使用，以免发生不安全的情况。
Unsafe是CAS的核心类，由于Java方法无法直接访问底层系统，需要通过本地（Native）方法来访问，Unsafe相当于一个后门，基于该类可以直接操作特定的内存数据。Unsafe类存在sun.misc包中，其内部方法操作可以像C的指针一样直接操作内存，因为Java中的CAS操作的执行依赖于Unsafe类的方法。
CAS是一条CPU并发原语，原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断，即CAS是一条CPU的原子指令，不会造成所谓的数据不一致问题。
注意Unsafe类的所有方法都是native修饰的，也就是说unsafe类中的方法都直接调用操作系统底层资源执行相应的任务
为什么Atomic修饰的包装类，能够保证原子性，依靠的就是底层的unsafe类

8.1 举例AtomicInteger源码
所有cas类的底层全部都是调用Unsafe类中的方法 ```java public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates // new UnSafe对象 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); private static final long valueOffset;

// 类加载的时候计算该value字段在内存中的偏移量 static {
```
  try {
      valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
          (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
```
}

// 加了volatile，保证value值的内存可见性、有序性 private volatile int value;

// 举例 // compareAndSet方法调用了unsafe的compareAndSwapInt方法，该方法是本地方法 public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
```
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
```
}

public final int getAndIncrement() {
```
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
```
} }

Unsafe类中getAndAddInt的自旋操作
```java
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        // var1当前对象，var2内存偏移量对应的v，var4变动的值
        int var5;
        do {
            // 重新从内存中获取v赋值给var5
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            // 进行更新时，重新从内存中拿出这个值（看别人动了没）比较这个值是否和var5相同，
            // 相同意思就是别人没动，就更改，不相同就继续自旋
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
    }

8.2 Unsafe底层实现

Unsafe类中的compareAndSwapInt是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中

先想办法拿到变量value在内存中的地址
通过Atomic::cmpxchg实现比较替换，其中参数X是即将更新的值，参数e是原内存的值

截屏2021-07-09 上午10.20.57.png

8.3 Unsafe 对象的获取

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得。LockSupport 的 park 方法，cas 相关的方法底层都是通过Unsafe类来实现的。

public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // Unsafe 使用了单例模式，unsafe 对象是类中的一个私有的变量 
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        // 允许访问私有变量
        theUnsafe.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe)theUnsafe.get(null);
    }

8.4 Unsafe 模拟实现 CAS 操作

@Slf4j(topic = "c.Test10")
public class Test10 {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        // 1.获取域的偏移地址,获取Teacher中id的偏移地址
        long id = unsafe.objectFieldOffset(Teacher.class.getDeclaredField("id"));
        long name = unsafe.objectFieldOffset(Teacher.class.getDeclaredField("name"));
        Teacher teacher = new Teacher();
        // 2.执行cas操作
        // 参数：对象，域的偏移量，原始期待比较值，修改的新值
        unsafe.compareAndSwapInt(teacher, id, 0, 1);
        unsafe.compareAndSwapObject(teacher, name, null, "张三");
        // 3.验证
        System.out.println(teacher);
    }
}
class Teacher {
    volatile int id;
    volatile String name;
    @Override
    public String toString() {
        return "Teacher{" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                '}';
    }

Teacher{id=1, name='张三'}

8.5 模拟实现原子整数类

public class Test11 {
    public static void main(String[] args) {
        Account.demo(new MyAtomicInteger(10000));
    }
}
class MyAtomicInteger implements Account{
    private static final long valueOffset;
    private static final Unsafe UNSAFE ;
    private volatile int value;
    public MyAtomicInteger(int value) {
        this.value = value;
    }
    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
            valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(MyAtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public int getValue() {
        return value;
    }
    public void decrement(int amount){
        while (true){
            int pre = this.value;
            int next = pre - amount;
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, valueOffset, pre, next)){
                break;
            }
        }
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return getValue();
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        decrement(amount);
    }
}

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9. 总结

本章重点讲解

CAS 与 volatile
juc 包下 API
1. 原子整数
2. 原子引用
3. 原子数组
4. 字段更新器
5. 原子累加器
Unsafe
原理方面
1. LongAdder 源码
2. 伪共享

Java 并发编程

5.共享模型之无锁[乐观锁]