java编程之美——高级篇（二）

一、Java并发包中原子操作类原理剖析

JUC包提供了一系列的原子性操作类，这些类都是使用非阻塞CAS算法实现原子性的，使用CAS算法可以提高并发性。下面以AtomicLong、Long Adder、和Long Acccumulator为例。

1.原子变量操作类

JUC并发包中包含有AtomicLong、AtomicInteger、AtomicBoolean,内部都是用Unsafe实现。

 AtomicLong中的主要函数：

（1）递增和递减操作代码

原理都是通过Unsafe实现的。弄懂上一篇https://www.cnblogs.com/feifei123/p/12590197.html的Unsafe部分就不难懂了。

（2）

 对象中偏移量为valueOffset的值为expect，则更新为update.

但是高并发的情况下，AtomicLong 的性能也并不高。JDK8提供了性能更好的LongAdder类

2.JDK8新增的LongAdder

LongAddder解决性能问题的思想？

因为AtomicLong，在高并发下大量线程会去竞争同一个原子变量。但只有一个线程会成功执行CAS，竞争失败，会让大量线程进行自旋尝试，白白浪费CUP资源。LongAdder通过把一个变量分解为多个变量，让同样多的线程来竞争，这就解决了性能问题。

LongAdder内部维护多个Cell，每一个Cell有一个初始为0的long变量。Cell类型是对AtomicLong的改进，用来减少对缓存的争用，也就是解决伪共享问题。

对于孤立的多个原子操作进行字节填充是浪费的，因为原子性操作都是无规律地分散在内存中，多个原子被放进同一个缓存行的可能性很少。但是原子性数组元素的内存地址是连续的，所以需要使用@sun.misc.Contended对Cell类进行字节填充。

LongAdder源码分析：

首先，LongAdder继承Stripped64，在Stripped64内部维护着三个变量cells,base，cellsBusy,LongAdder的真实值其实是base和cells所有值的累加。当创建Cell元素，扩容Cell数组，或者进行初始化Cell数组，使用CAS操作该变量来保证同时只有一个线程可以进行其中之一的操作。

base是个基础值。默认值为0，cellsBusy用来实现自旋锁。状态值只有0和1

 接下来，看看Cell的结构

 Cell内部内部维护一个volatile变量，因为一个线程对cell值的修改需要对其他线程可见。另外cas函数保证保证当前线程更新时被分配的cell元素中value值的原子性。该类使用@sun.misc.Contended注解，为了解决cell数组的伪共享问题。

LongAdder主要方法：

long sum()

void reset()

long sumThenReset()

long longValue()

上面的不在分析，读者可以自行阅读，都不难理解。下面主要看下add方法的实现。

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                          boolean wasUncontended) {
    int h;
    if ((h = getProbe()) == 0) {
        ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
        h = getProbe();
        wasUncontended = true;
    }
    boolean collide = false;                // True if last slot nonempty
    for (;;) {
        Cell[] as; Cell a; int n; long v;
        if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
            if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                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 &&
                                rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                rs[j] = r;
                                created = true;
                            }
                        } finally {
                            cellsBusy = 0;
                        }
                        if (created)
                            break;
                        continue;           // Slot is now non-empty
                    }
                }
                collide = false;
            }
            else if (!wasUncontended)       // CAS already known to fail
                wasUncontended = true;      // Continue after rehash
            else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :
                                         fn.applyAsLong(v, x))))
                break;
            else if (n >= NCPU || cells != as)
                collide = false;            // At max size or stale
            else if (!collide)
                collide = true;
            else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                try {
                    if (cells == as) {      // Expand table unless stale
                        Cell[] rs = new Cell[n << 1];
                        for (int i = 0; i < n; ++i)
                            rs[i] = as[i];
                        cells = rs;
                    }
                } finally {
                    cellsBusy = 0;
                }
                collide = false;
                continue;                   // Retry with expanded table
            }
            h = advanceProbe(h);
        }
        else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
            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;
        }
        else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :
                                    fn.applyAsLong(v, x))))
            break;                          // Fall back on using base
    }
}

 LongAccumulator类原理探究

LongAccumulator比LongAdder功能更强，相比于LongAdder，可以为累加器提供非0的默认值。还可以指定累加规则。

 二、Java并发包中并发List源码剖析

并发包中的并发List只有CopyOnWriteArrayList。CopyOnWriteArrayList是一个线程安全的ArrayList。对其进行的修改操作都是在底层的一个复制的数组上进行的。也就是使用了写时复制策略。

如果让我们自己做一个写时复制的线程安全的list，有哪些需要考虑？

1.何时初始化list,初始化list元素个数为多少？list有大小限制吗？

2.如何保证线程安全？

3如何保证遍历list的数据一致性？

三、Java并发包中锁原理解析

1.LockSupport工具类

LockSupport是rt.jar包的一个工具类，主要作用是挂起和唤醒线程，该工具类是创建锁和其他同步类的基础。

LockSupport类与每个使用它的线程都会关联一个许可证。默认情况下，调用LOckSupport类的方法的线程是不持有许可证的。LockSupport是使用Unsafe类实现的。

主要方法：

(1) void park() 如果调用park方法的线程已经拿到了与LockSupport关联的许可证，则会立刻返回。否则，该调用线程会被阻塞挂起。

在其他线程调用了unpark() interrupt() 或者被虚假唤醒，则阻塞线程也会返回。

(2) void unpark(Thread thread)

当一个线程调用unpark时，如果thread线程没有持有LockSupport许可证，该让该线程持有。如果因为调用park被挂起，则调用unpark后，该线程会被唤醒。如果thread之前没有调用park，则调用unpark方法后，在调用park方法，其会立刻返回。

(3) void parkNanos(long nanos) 阻塞一段时间

另外，park方法还支持带有blocker参数的方法，park(blocker)，可以打印更详细的堆栈信息。jstack pid

（4）park(blocker)

(5) parkNanos(Object blocker,Long nanos)

(6) parkUntil(Object object,Long deadline)

-------------------------------------------------------------------下篇待续