高併發下計數功能最好的資料結構就是LongAdder與DoubleAdder，低併發下效率也非常優秀，這是我見過的java併發包中設計的最為巧妙的類，從軟硬體方面將java併發累加操作優化到了極致，所以應該我們應該弄清楚它的每一行程式碼為什麼要這樣做，它倆的實現大同小異，下面以LongAdder類為例介紹下它的實現。

Striped64類

public class LongAdder extends Striped64 implements Serializable

LongAdder繼承了Striped64類，來實現累加功能的,它是實現高併發累加的工具類；
Striped64的設計核心思路就是通過內部的分散計算來避免競爭。
Striped64內部包含一個base和一個Cell[] cells陣列，又叫hash表。
沒有競爭的情況下，要累加的數通過cas累加到base上；如果有競爭的話，會將要累加的數累加到Cells陣列中的某個cell元素裡面。所以整個Striped64的值為sum=base+∑[0~n]cells。

Striped64內部三個重要的成員變數：

/** 
 * 存放Cell的hash表，大小為2的冪。 
 */  
transient volatile Cell[] cells;  
/** 
 * 基礎值，
 * 1. 在沒有競爭時會更新這個值；
 * 2. 在cells初始化的過程中，cells處於不可用的狀態，這時候也會嘗試將通過cas操作值累加到base。 
 */  
transient volatile long base;  
/** 
 * 自旋鎖，通過CAS操作加鎖，用於保護建立或者擴充套件Cell表。 
 */  
transient volatile int cellsBusy;  

成員變數cells

cells陣列是LongAdder高效能實現的必殺器：
AtomicInteger只有一個value，所有執行緒累加都要通過cas競爭value這一個變數，高併發下執行緒爭用非常嚴重；
而LongAdder則有兩個值用於累加，一個是base，它的作用類似於AtomicInteger裡面的value，在沒有競爭的情況不會用到cells陣列，它為null，這時使用base做累加，有了競爭後cells陣列就上場了，第一次初始化長度為2，以後每次擴容都是變為原來的兩倍，直到cells陣列的長度大於等於當前伺服器cpu的數量為止就不在擴容（想下為什麼到超過cpu數量的時候就不再擴容）；每個執行緒會通過執行緒對cells[threadLocalRandomProbe%cells.length]位置的Cell物件中的value做累加，這樣相當於將執行緒繫結到了cells中的某個cell物件上；

成員變數cellsBusy

cellsBusy，它有兩個值0 或1，它的作用是當要修改cells陣列時加鎖，防止多執行緒同時修改cells陣列，0為無鎖，1為加鎖，加鎖的狀況有三種
1. cells陣列初始化的時候；
2. cells陣列擴容的時候；
3. 如果cells陣列中某個元素為null，給這個位置建立新的Cell物件的時候；

成員變數base

它有兩個作用：
1. 在開始沒有競爭的情況下，將累加值累加到base
2. 在cells初始化的過程中，cells不可用，這時會嘗試將值累加到base上；

Cell內部類

 //為提高效能，使用註解@sun.misc.Contended，用來避免偽共享，
 @sun.misc.Contended static final class Cell {
        //用來儲存要累加的值
        volatile long value;
        Cell(long x) { value = x; }
        //使用UNSAFE類的cas來更新value值
        final boolean cas(long cmp, long val) {
            return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);
        }
        private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
        //value在Cell類中儲存位置的偏移量；
        private static final long valueOffset;
        //這個靜態方法用於獲取偏移量
        static {
            try {
                UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
                Class<?> ak = Cell.class;
                valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (ak.getDeclaredField("value"));
            } catch (Exception e) {
                throw new Error(e);
            }
        }
    }

這個類很簡單，final型別，內部有一個value值，使用cas來更新它的值；Cell類唯一需要注意的地方就是Cell類的註解@sun.misc.Contended。

偽共享

要理解Contended註解的作用，要先弄清楚什麼是偽共享，會有什麼影響，如何解決偽共享。

快取行cache line

要理解偽共享先要弄清楚什麼是cache line，cpu的快取系統中是以快取行（cache line）為單位儲存的，快取行是2的整數冪個連續位元組，一般為32-256個位元組。最常見的快取行大小是64個位元組，cache line是cache和memory之間資料傳輸的最小單元。

大多數現代cpu都one-die了L1和L2cache。對於L1 cache，大多是write though的；L2 cache則是write back的，不會立即寫回memory，這就會導致cache和memory的內容的不一致；另外，對於mp(multi processors)的環境，由於cache是cpu私有的，不同cpu的cache的內容也存在不一致的問題，因此很多mp的的計算架構，不論是ccnuma還是smp都實現了cache coherence的機制,即不同cpu的cache一致性機制。

Write-through（直寫模式）在資料更新時，同時寫入快取Cache和後端儲存。此模式的優點是操作簡單；缺點是因為資料修改需要同時寫入儲存，資料寫入速度較慢。

Write-back（回寫模式）在資料更新時只寫入快取Cache。只在資料被替換出快取時，被修改的快取資料才會被寫到後端儲存。此模式的優點是資料寫入速度快，因為不需要寫儲存；缺點是一旦更新後的資料未被寫入儲存時出現系統掉電的情況，資料將無法找回。

cache coherence的一種實現是通過cache-snooping協議，每個cpu通過對bus的snoop實現對其它cpu讀寫cache的監控:

1. 當cpu1要寫cache時，其它cpu就會檢查自己cache中對應的cache line,如果是dirty的，就write back到memory,並且會將cpu1的相關cache line重新整理；如果不是dirty的，就invalidate該cache line.
2. 當cpu1要讀cache時，其它cpu就會將自己cache中對應的cache line中標記為dirty的部分write back到memory,並且會將cpu1的相關cache line重新整理。

所以，提高cpu的cache hit rate,減少cache和memory之間的資料傳輸，將會提高系統的效能。

因此，在程式和二進位制物件的記憶體分配中保持cache line aligned就十分重要，如果不保證cache line對齊，出現多個cpu中並行執行的程式或者執行緒同時讀寫同一個cache line的情況的概率就會很大。這時cpu的cache和memory之間會反覆出現write back和refresh情況，這種情形就叫做cache thrashing。

為了有效的避免cache thrashing,通常有以下兩種途徑：

1. 對於heap的分配，很多系統在malloc呼叫中實現了強制的alignment.
2. 對於stack的分配，很多編譯器提供了stack aligned的選項。

當然，如果在編譯器指定了stack aligned,程式的尺寸將會變大，會佔用更多的記憶體。因此，這中間的取捨需要仔細考慮;

關於偽共享詳情請看這裡介紹以及這裡；

為了解決這個問題在jdk1.6會採用long padding的方式，就是在防止被偽共享的變數的前後加上7個long型別的變數，如下所示：

public class VolatileLongPadding {
        volatile long p0, p1, p2, p3, p4, p5, p6;
        volatile long v = 0L;
        volatile long q0, q1, q2, q3, q4, q5, q6;
}

jdk1.7的某個版本後會優化掉long padding，為了解決這個問題，在jdk1.8中加入了@sun.misc.Contended；

LongAdder

前面說了一大堆，現在終於進入到正題了。

LongAdder –>add方法

add方法是LongAdder累加的方法，傳入的引數x為要累加的值；

    public void add(long x) {

        Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
        /**
         * 如果一下兩種條件則繼續執行if內的語句
         * 1. cells陣列不為null（不存在爭用的時候，cells陣列一定為null，一旦對base的cas操作失敗，才會初始化cells陣列）
         * 2. 如果cells陣列為null，如果casBase執行成功，則直接返回，如果casBase方法執行失敗（casBase失敗，說明第一次爭用衝突產生，需要對cells陣列初始化）進入if內；
         * casBase方法很簡單，就是通過UNSAFE類的cas設定成員變數base的值為base+要累加的值
         * casBase執行成功的前提是無競爭，這時候cells陣列還沒有用到為null，可見在無競爭的情況下是類似於AtomticInteger處理方式，使用cas做累加。
         */
        if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
            //uncontended判斷cells陣列中，當前執行緒要做cas累加操作的某個元素是否#不#存在爭用，如果cas失敗則存在爭用；uncontended=false代表存在爭用，uncontended=true代表不存在爭用。

            boolean uncontended = true;
            /**
            *1. as == null ： cells陣列未被初始化，成立則直接進入if執行cell初始化
            *2. (m = as.length - 1) < 0： cells陣列的長度為0
            *條件1與2都代表cells陣列沒有被初始化成功，初始化成功的cells陣列長度為2；
            *3. (a = as[getProbe() & m]) == null ：如果cells被初始化，且它的長度不為0，則通過getProbe方法獲取當前執行緒Thread的threadLocalRandomProbe變數的值，初始為0，然後執行threadLocalRandomProbe&(cells.length-1 ),相當於m%cells.length;如果cells[threadLocalRandomProbe%cells.length]的位置為null，這說明這個位置從來沒有執行緒做過累加，需要進入if繼續執行，在這個位置建立一個新的Cell物件；
            *4. !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))：嘗試對cells[threadLocalRandomProbe%cells.length]位置的Cell物件中的value值做累加操作,並返回操作結果,如果失敗了則進入if，重新計算一個threadLocalRandomProbe；

            如果進入if語句執行longAccumulate方法,有三種情況
            1. 前兩個條件代表cells沒有初始化，
            2. 第三個條件指當前執行緒hash到的cells陣列中的位置還沒有其它執行緒做過累加操作，
            3. 第四個條件代表產生了衝突,uncontended=false
            **/
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                (a = as[getProbe() & m]) == null ||
                !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
                longAccumulate(x, null, uncontended);
        }
    }

longAccumulate方法

三個引數第一個為要累加的值，第二個為null，第三個為wasUncontended表示呼叫方法之前的add方法是否未發生競爭;

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                              boolean wasUncontended) {
        //獲取當前執行緒的threadLocalRandomProbe值作為hash值,如果當前執行緒的threadLocalRandomProbe為0，說明當前執行緒是第一次進入該方法，則強制設定執行緒的threadLocalRandomProbe為ThreadLocalRandom類的成員靜態私有變數probeGenerator的值，後面會詳細將hash值的生成;
        //另外需要注意，如果threadLocalRandomProbe=0，代表新的執行緒開始參與cell爭用的情況
        //1.當前執行緒之前還沒有參與過cells爭用（也許cells陣列還沒初始化，進到當前方法來就是為了初始化cells陣列後爭用的）,是第一次執行base的cas累加操作失敗；
        //2.或者是在執行add方法時，對cells某個位置的Cell的cas操作第一次失敗，則將wasUncontended設定為false，那麼這裡會將其重新置為true；第一次執行操作失敗；
       //凡是參與了cell爭用操作的執行緒threadLocalRandomProbe都不為0；
        int h;
        if ((h = getProbe()) == 0) {
            //初始化ThreadLocalRandom;
            ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
            //將h設定為0x9e3779b9
            h = getProbe();
            //設定未競爭標記為true
            wasUncontended = true;
        }
        //cas衝突標誌，表示當前執行緒hash到的Cells陣列的位置，做cas累加操作時與其它執行緒發生了衝突，cas失敗；collide=true代表有衝突，collide=false代表無衝突 
        boolean collide = false; 
        for (;;) {
            Cell[] as; Cell a; int n; long v;
            //這個主幹if有三個分支
            //1.主分支一：處理cells陣列已經正常初始化了的情況（這個if分支處理add方法的四個條件中的3和4）
            //2.主分支二：處理cells陣列沒有初始化或者長度為0的情況；（這個分支處理add方法的四個條件中的1和2）
            //3.主分支三：處理如果cell陣列沒有初始化，並且其它執行緒正在執行對cells陣列初始化的操作，及cellbusy=1；則嘗試將累加值通過cas累加到base上
            //先看主分支一
            if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
                /**
                 *內部小分支一：這個是處理add方法內部if分支的條件3：如果被hash到的位置為null，說明沒有執行緒在這個位置設定過值，沒有競爭，可以直接使用，則用x值作為初始值建立一個新的Cell物件，對cells陣列使用cellsBusy加鎖，然後將這個Cell物件放到cells[m%cells.length]位置上 
                 */
                if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                    //cellsBusy == 0 代表當前沒有執行緒cells陣列做修改
                    if (cellsBusy == 0) {
                        //將要累加的x值作為初始值建立一個新的Cell物件，
                        Cell r = new Cell(x); 
                        //如果cellsBusy=0無鎖，則通過cas將cellsBusy設定為1加鎖
                        if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                            //標記Cell是否建立成功並放入到cells陣列被hash的位置上
                            boolean created = false;
                            try {
                                Cell[] rs; int m, j;
                                //再次檢查cells陣列不為null，且長度不為空，且hash到的位置的Cell為null
                                if ((rs = cells) != null &&
                                    (m = rs.length) > 0 &&
                                    rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                    //將新的cell設定到該位置
                                    rs[j] = r;
                                    created = true;
                                }
                            } finally {
                                //去掉鎖
                                cellsBusy = 0;
                            }
                            //生成成功，跳出迴圈
                            if (created)
                                break;
                            //如果created為false，說明上面指定的cells陣列的位置cells[m%cells.length]已經有其它執行緒設定了cell了，繼續執行迴圈。
                            continue;
                        }
                    }
                   //如果執行的當前行，代表cellsBusy=1，有執行緒正在更改cells陣列，代表產生了衝突，將collide設定為false
                    collide = false;

                /**
                 *內部小分支二：如果add方法中條件4的通過cas設定cells[m%cells.length]位置的Cell物件中的value值設定為v+x失敗,說明已經發生競爭，將wasUncontended設定為true，跳出內部的if判斷，最後重新計算一個新的probe，然後重新執行迴圈;
                 */
                } else if (!wasUncontended)  
                    //設定未競爭標誌位true，繼續執行，後面會算一個新的probe值，然後重新執行迴圈。 
                    wasUncontended = true;
                /**
                *內部小分支三：新的爭用執行緒參與爭用的情況：處理剛進入當前方法時threadLocalRandomProbe=0的情況，也就是當前執行緒第一次參與cell爭用的cas失敗，這裡會嘗試將x值加到cells[m%cells.length]的value ，如果成功直接退出  
                */
                else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :
                                             fn.applyAsLong(v, x))))
                    break;
                /**
                 *內部小分支四：分支3處理新的執行緒爭用執行失敗了，這時如果cells陣列的長度已經到了最大值（大於等於cup數量），或者是當前cells已經做了擴容，則將collide設定為false，後面重新計算prob的值
                else if (n >= NCPU || cells != as)
                    collide = false;
                /**
                 *內部小分支五：如果發生了衝突collide=false，則設定其為true；會在最後重新計算hash值後，進入下一次for迴圈
                 */
                else if (!collide)
                    //設定衝突標誌，表示發生了衝突，需要再次生成hash，重試。 如果下次重試任然走到了改分支此時collide=true，!collide條件不成立，則走後一個分支
                    collide = true;
                /**
                 *內部小分支六：擴容cells陣列，新參與cell爭用的執行緒兩次均失敗，且符合庫容條件，會執行該分支
                 */
                else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                    try {
                        //檢查cells是否已經被擴容
                        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
                }
                //為當前執行緒重新計算hash值
                h = advanceProbe(h);

            //這個大的分支處理add方法中的條件1與條件2成立的情況，如果cell表還未初始化或者長度為0，先嚐試獲取cellsBusy鎖。
            }else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
                boolean init = false;
                try {                           // Initialize table
                    //初始化cells陣列，初始容量為2,並將x值通過hash&1，放到0個或第1個位置上
                    if (cells == as) {
                        Cell[] rs = new Cell[2];
                        rs[h & 1] = new Cell(x);
                        cells = rs;
                        init = true;
                    }
                } finally {
                    //解鎖
                    cellsBusy = 0;
                }
                //如果init為true說明初始化成功，跳出迴圈
                if (init)
                    break;
            }
            /**
             *如果以上操作都失敗了，則嘗試將值累加到base上；
             */
            else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :
                                        fn.applyAsLong(v, x))))
                break;                          // Fall back on using base
        }
    }

關於hash的生成

hash是LongAdder定位當前執行緒應該將值累加到cells陣列哪個位置上的，所以hash的演算法是非常重要的，下面就來看看它的實現。
java的Thread類裡面有一個成員變數

  @sun.misc.Contended("tlr")
    int threadLocalRandomProbe;

threadLocalRandomProbe這個變數的值就是LongAdder用來hash定位Cells陣列位置的，平時執行緒的這個變數一般用不到，它的值一直都是0。

在LongAdder的父類Striped64裡通過getProbe方法獲取當前執行緒threadLocalRandomProbe的值：

    static final int getProbe() {
        //PROBE是threadLocalRandomProbe變數在Thread類裡面的偏移量，所以下面語句獲取的就是threadLocalRandomProbe的值；
        return UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE);
    }

threadLocalRandomProbe的初始化

執行緒對LongAdder的累加操作，在沒有進入longAccumulate方法前，threadLocalRandomProbe一直都是0，當發生爭用後才會進入longAccumulate方法中，進入該方法第一件事就是判斷threadLocalRandomProbe是否為0，如果為0，則將其設定為0x9e3779b9

 int h;
        if ((h = getProbe()) == 0) {
            ThreadLocalRandom.current(); 
            h = getProbe();
            //設定未競爭標記為true
            wasUncontended = true;
        }

重點在這行ThreadLocalRandom.current();

    public static ThreadLocalRandom current() {
        if (UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE) == 0)
            localInit();
        return instance;
    }

在current方法中判斷如果probe的值為0，則執行locaInit()方法，將當前執行緒的probe設定為非0的值，該方法實現如下：

  static final void localInit() {
        //private static final AtomicInteger probeGenerator =
        new AtomicInteger();
        //private static final int PROBE_INCREMENT = 0x9e3779b9;
        int p = probeGenerator.addAndGet(PROBE_INCREMENT);
        //prob不能為0
        int probe = (p == 0) ? 1 : p; // skip 0
        long seed = mix64(seeder.getAndAdd(SEEDER_INCREMENT));
        //獲取當前執行緒
        Thread t = Thread.currentThread();
        UNSAFE.putLong(t, SEED, seed);
        //將probe的值更新為probeGenerator的值
        UNSAFE.putInt(t, PROBE, probe);
    }

probeGenerator 是static 型別的AtomicInteger類，每執行一次localInit()方法，都會將probeGenerator 累加一次0x9e3779b9這個值；，0x9e3779b9這個數字的得來是 2^32 除以一個常數，這個常數就是傳說中的黃金比例 1.6180339887；然後將當前執行緒的threadLocalRandomProbe設定為probeGenerator 的值，如果probeGenerator 為0，這取1；

threadLocalRandomProbe重新生成

就是將prob的值左右移位 、異或操作三次

    static final int advanceProbe(int probe) {
        probe ^= probe << 13;   // xorshift
        probe ^= probe >>> 17;
        probe ^= probe << 5;
        UNSAFE.putInt(Thread.currentThread(), PROBE, probe);
        return probe;
    }

probe從=1開始反覆執行10次，結果如下:
1
270369
67634689
-1647531835
307599695
-1896278063
745495504
632435482
435756210
2005365029
-1378868364