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learn.lianglianglee.com/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/40 AtomicInteger 在高并发下性能不好，如何解决？为什么？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/62 volatile 的作用是什么？与 synchronized 有什么异同？.md.html">62 volatile 的作用是什么？与 synchronized 有什么异同？.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/69 如何用命令行和代码定位死锁？.md.html">69 如何用命令行和代码定位死锁？.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/70 有哪些解决死锁问题的策略？.md.html">70 有哪些解决死锁问题的策略？.md.html</a>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/71 讲一讲经典的哲学家就餐问题.md.html">71 讲一讲经典的哲学家就餐问题.md.html</a>
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<li>
<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/72 final 的三种用法是什么？.md.html">72 final 的三种用法是什么？.md.html</a>
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<li>
<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/73 为什么加了 final 却依然无法拥有“不变性”？.md.html">73 为什么加了 final 却依然无法拥有“不变性”？.md.html</a>
</li>
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<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/74 为什么 String 被设计为是不可变的？.md.html">74 为什么 String 被设计为是不可变的？.md.html</a>
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</li>
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</li>
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</li>
<li>
<a href="/专栏/Java 并发编程 78 讲-完/78 一份独家的 Java 并发工具图谱.md.html">78 一份独家的 Java 并发工具图谱.md.html</a>
</li>
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<div class="book-post">
<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>40 AtomicInteger 在高并发下性能不好，如何解决？为什么？</h1>
<p>本课时我们主要讲解 AtomicInteger 在高并发下性能不好，如何解决？以及为什么会出现这种情况？</p>
<p>我们知道在 JDK1.5 中新增了并发情况下使用的 Integer/Long 所对应的原子类 AtomicInteger 和 AtomicLong。</p>
<p>在并发的场景下，如果我们需要实现计数器，可以利用 AtomicInteger 和 AtomicLong，这样一来，就可以避免加锁和复杂的代码逻辑，有了它们之后，我们只需要执行对应的封装好的方法，例如对这两个变量进行原子的增操作或原子的减操作，就可以满足大部分业务场景的需求。</p>
<p>不过，虽然它们很好用，但是如果你的业务场景是并发量很大的，那么你也会发现，这两个原子类实际上会有较大的性能问题，这是为什么呢？就让我们从一个例子看起。</p>
<h3>AtomicLong 存在的问题</h3>
<p>首先我们来看一段代码：</p>
<pre><code class="language-java">/**
* 描述： 在16个线程下使用AtomicLong
*/
public class AtomicLongDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicLong counter = new AtomicLong(0);
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(16);
for (int i = 0; i &lt; 100; i++) {
service.submit(new Task(counter));
}
Thread.sleep(2000);
System.out.println(counter.get());
}
static class Task implements Runnable {
private final AtomicLong counter;
public Task(AtomicLong counter) {
this.counter = counter;
}
@Override
public void run() {
counter.incrementAndGet();
}
}
}
</code></pre>
<p>在这段代码中可以看出，我们新建了一个原始值为 0 的 AtomicLong。然后，有一个线程数为 16 的线程池，并且往这个线程池中添加了 100 次相同的一个任务。</p>
<p>那我们往下看这个任务是什么。在下面的 Task 类中可以看到，这个任务实际上就是每一次去调用 AtomicLong 的 incrementAndGet 方法，相当于一次自加操作。这样一来，整个类的作用就是把这个原子类从 0 开始，添加 100 个任务，每个任务自加一次。</p>
<p>这段代码的运行结果毫无疑问是 100，虽然是多线程并发访问，但是 AtomicLong 依然可以保证 incrementAndGet 操作的原子性，所以不会发生线程安全问题。</p>
<p>不过如果我们深入一步去看内部情景的话，你可能会感到意外。我们把模型简化成只有两个线程在同时工作的并发场景，因为两个线程和更多个线程本质上是一样的。如图所示：</p>
<p><img src="assets/Cgq2xl46RpiAC7t7AAAa3NLU-Uk716.png" alt="img" /></p>
<p>我们可以看到在这个图中，每一个线程是运行在自己的 core 中的，并且它们都有一个本地内存是自己独用的。在本地内存下方，有两个 CPU 核心共用的共享内存。</p>
<p>对于 AtomicLong 内部的 value 属性而言，也就是保存当前 AtomicLong 数值的属性，它是被 volatile 修饰的，所以它需要保证自身可见性。</p>
<p>这样一来，每一次它的数值有变化的时候，它都需要进行 flush 和 refresh。比如说，如果开始时，ctr 的数值为 0 的话，那么如图所示，一旦 core 1 把它改成 1 的话，它首先会在左侧把这个 1 的最新结果给 flush 到下方的共享内存。然后，再到右侧去往上 refresh 到核心 2 的本地内存。这样一来，对于核心 2 而言，它才能感知到这次变化。</p>
<p>由于竞争很激烈，这样的 flush 和 refresh 操作耗费了很多资源，而且 CAS 也会经常失败。</p>
<h3>LongAdder 带来的改进和原理</h3>
<p>在 JDK 8 中又新增了 LongAdder 这个类，这是一个针对 Long 类型的操作工具类。那么既然已经有了 AtomicLong，为何又要新增 LongAdder 这么一个类呢？</p>
<p>我们同样是用一个例子来说明。下面这个例子和刚才的例子很相似，只不过我们把工具类从 AtomicLong 变成了 LongAdder。其他的不同之处还在于最终打印结果的时候，调用的方法从原来的 get 变成了现在的 sum 方法。而其他的逻辑都一样。</p>
<p>我们来看一下使用 LongAdder 的代码示例：</p>
<pre><code class="language-java">/**
* 描述： 在16个线程下使用LongAdder
*/
public class LongAdderDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LongAdder counter = new LongAdder();
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(16);
for (int i = 0; i &lt; 100; i++) {
service.submit(new Task(counter));
}
Thread.sleep(2000);
System.out.println(counter.sum());
}
static class Task implements Runnable {
private final LongAdder counter;
public Task(LongAdder counter) {
this.counter = counter;
}
@Override
public void run() {
counter.increment();
}
}
}
</code></pre>
<p>代码的运行结果同样是 100，但是运行速度比刚才 AtomicLong 的实现要快。下面我们解释一下，为什么高并发下 LongAdder 比 AtomicLong 效率更高。</p>
<p>因为 LongAdder 引入了分段累加的概念，内部一共有两个参数参与计数：第一个叫作 base，它是一个变量，第二个是 Cell[] ，是一个数组。</p>
<p>其中的 base 是用在竞争不激烈的情况下的，可以直接把累加结果改到 base 变量上。</p>
<p>那么，当竞争激烈的时候，就要用到我们的 Cell[] 数组了。一旦竞争激烈，各个线程会分散累加到自己所对应的那个 Cell[] 数组的某一个对象中，而不会大家共用同一个。</p>
<p>这样一来，LongAdder 会把不同线程对应到不同的 Cell 上进行修改，降低了冲突的概率，这是一种分段的理念，提高了并发性，这就和 Java 7 的 ConcurrentHashMap 的 16 个 Segment 的思想类似。</p>
<p>竞争激烈的时候，LongAdder 会通过计算出每个线程的 hash 值来给线程分配到不同的 Cell 上去，每个 Cell 相当于是一个独立的计数器，这样一来就不会和其他的计数器干扰，Cell 之间并不存在竞争关系，所以在自加的过程中，就大大减少了刚才的 flush 和 refresh，以及降低了冲突的概率，这就是为什么 LongAdder 的吞吐量比 AtomicLong 大的原因，本质是空间换时间，因为它有多个计数器同时在工作，所以占用的内存也要相对更大一些。</p>
<p>那么 LongAdder 最终是如何实现多线程计数的呢？答案就在最后一步的求和 sum 方法，执行 LongAdder.sum() 的时候，会把各个线程里的 Cell 累计求和，并加上 base，形成最终的总和。代码如下：</p>
<pre><code class="language-java">public long sum() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
if (as != null) {
for (int i = 0; i &lt; as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
</code></pre>
<p>在这个 sum 方法中可以看到，思路非常清晰。先取 base 的值，然后遍历所有 Cell，把每个 Cell 的值都加上去，形成最终的总和。由于在统计的时候并没有进行加锁操作，所以这里得出的 sum 不一定是完全准确的，因为有可能在计算 sum 的过程中 Cell 的值被修改了。</p>
<p>那么我们已经了解了，为什么 AtomicLong 或者说 AtomicInteger 它在高并发下性能不好，也同时看到了性能更好的 LongAdder。下面我们就分析一下，对它们应该如何选择。</p>
<h3>如何选择</h3>
<p>在低竞争的情况下，AtomicLong 和 LongAdder 这两个类具有相似的特征，吞吐量也是相似的，因为竞争不高。但是在竞争激烈的情况下，LongAdder 的预期吞吐量要高得多，经过试验，LongAdder 的吞吐量大约是 AtomicLong 的十倍，不过凡事总要付出代价，LongAdder 在保证高效的同时，也需要消耗更多的空间。</p>
<h3>AtomicLong 可否被 LongAdder 替代？</h3>
<p>那么我们就要考虑了，有了更高效的 LongAdder，那 AtomicLong 可否不使用了呢？是否凡是用到 AtomicLong 的地方，都可以用 LongAdder 替换掉呢？答案是不是的，这需要区分场景。</p>
<p>LongAdder 只提供了 add、increment 等简单的方法，适合的是统计求和计数的场景，场景比较单一，而 AtomicLong 还具有 compareAndSet 等高级方法，可以应对除了加减之外的更复杂的需要 CAS 的场景。</p>
<p>结论：如果我们的场景仅仅是需要用到加和减操作的话，那么可以直接使用更高效的 LongAdder，但如果我们需要利用 CAS 比如 compareAndSet 等操作的话，就需要使用 AtomicLong 来完成。</p>
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