并发编程--计数器不同实现方案性能对比【synchronized、LongAdder、LongAccumulator、AtomicLong】

在并发编程时，经常需要进行计数，如统计处理的记录条数、成功处理的条数、失败处理的条数等，本文针对synchronized、LongAdder、LongAccumulator、AtomicLong四种方案实现的计数器进行性能对比，并给出使用建议。

1. 计数器实现

1.1. 实现方案及测试结果

分别使用synchronized、AtomicLong、LongAdder、LongAccumulator方案，实现计数器，实现代码参见下面的代码。

性能测试结果详见下面的输出结果，LongAdder和LongAccumulator性能相当，synchronized性能最差，AtomicLong的耗时约为synchronized一半，LongAdder和LongAccumulator的耗时约为前两个的几十分之一。

1.2. 结果分析

AtomicLong是JDK1.5开始出现的，里面主要使用了一个long类型的value作为成员变量，然后使用循环的CAS操作去操作value的值，并发量比较大的情况下，CAS操作失败的概率较高，内部失败了会重试，导致耗时可能会增加。

LongAdder是JDK1.8开始出现的，所提供的API基本上可以替换掉原先的AtomicLong。LongAdder在并发量比较大的情况下，操作数据的时候，相当于把这个数字分成了很多份数字，然后交给多个人去管控，每个管控者负责保证部分数字在多线程情况下操作的正确性。当多线程访问的时，通过hash算法映射到具体管控者去操作数据，最后再汇总所有的管控者的数据，得到最终结果。相当于降低了并发情况下锁的粒度，所以效率比较高，看一下下面的图，方便理解：

LongAccumulator是LongAdder的功能增强版。LongAdder的API只有对数值的加减，而LongAccumulator提供了自定义的函数操作，其构造函数如下：

/**
     * Creates a new instance using the given accumulator function
     * and identity element.
     * @param accumulatorFunction a side-effect-free function of two arguments
     * @param identity identity (initial value) for the accumulator function
     */
    public LongAccumulator(LongBinaryOperator accumulatorFunction,
                           long identity) {
        this.function = accumulatorFunction;
        base = this.identity = identity;
    }
           

LongAdder、LongAccumulator全面超越同步锁及AtomicLong的方式，建议在使用AtomicLong的地方可以直接替换为LongAdder、LongAccumulator，吞吐量更高一些

2. 计数器不同的实现方案

模拟50个线程，每个线程对计数器递增100万次，最终结果应该是5000万。

分别使用synchronized、LongAdder、LongAccumulator、AtomicLong四种实现方案，并进行性能测试。

2.1 实现代码

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAccumulator;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

public class CounterTest {
    private static ICounter counter;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int j = 1; j < 5; j++) {
            counter = CounterFactory.getCounter(j);
            System.out.println(String.format("基于%s进行计数", counter.getClass().getSimpleName()));
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                counter.reset();
                count(counter);
            }
        }
    }

    private static void count(ICounter counter) throws InterruptedException {
        long t1 = System.currentTimeMillis();
        int threadCount = 50;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threadCount);
        for (int i = 0; i < threadCount; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
                        counter.incr();
                    }
                } finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        countDownLatch.await();
        long t2 = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(String.format("结果：%s,耗时(ms)：%s", counter.get(), (t2 - t1)));
    }
}

interface ICounter {
    public void reset();

    public void incr();

    public long get();
}

class SynchronizedCounter implements ICounter {
    private Integer count = 0;
    private Object lock = new Object();

    @Override
    public void reset() {
        count = 0;
    }

    @Override
    public void incr() {
        synchronized (lock) {
            count++;
        }
    }

    @Override
    public long get() {
        return count;
    }
}

class AtomicLongCounter implements ICounter {
    private AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    @Override
    public void reset() {
        count.set(0);
    }

    @Override
    public void incr() {
        count.incrementAndGet();
    }

    @Override
    public long get() {
        return count.get();
    }
}

class LongAdderCounter implements ICounter {
    private LongAdder count = new LongAdder();

    @Override
    public void reset() {
        count.reset();
    }

    @Override
    public void incr() {
        count.increment();
    }

    @Override
    public long get() {
        return count.sum();
    }
}

class LongAccumulatorCounter implements ICounter {
    private LongAccumulator count = new LongAccumulator((x, y) -> x + y, 0L);

    @Override
    public void reset() {
        count.reset();
    }

    @Override
    public void incr() {
        count.accumulate(1);
    }

    @Override
    public long get() {
        return count.longValue();
    }
}

class CounterFactory {
    public static ICounter getCounter(int counterType) throws Exception {
        switch (counterType) {
            case 1:
                return new SynchronizedCounter();
            case 2:
                return new AtomicLongCounter();
            case 3:
                return new LongAdderCounter();
            case 4:
                return new LongAccumulatorCounter();
        }
        throw new Exception("参数错误");
    }
}
           

2.2. 输出结果

基于SynchronizedCounter进行计数

结果：50000000,耗时(ms)：1451

结果：50000000,耗时(ms)：1452

结果：50000000,耗时(ms)：1397

结果：50000000,耗时(ms)：1406

结果：50000000,耗时(ms)：1408

结果：50000000,耗时(ms)：1411

结果：50000000,耗时(ms)：1422

结果：50000000,耗时(ms)：1415

结果：50000000,耗时(ms)：1434

结果：50000000,耗时(ms)：1430

基于AtomicLongCounter进行计数

结果：50000000,耗时(ms)：777

结果：50000000,耗时(ms)：752

结果：50000000,耗时(ms)：756

结果：50000000,耗时(ms)：768

结果：50000000,耗时(ms)：757

结果：50000000,耗时(ms)：761

结果：50000000,耗时(ms)：769

结果：50000000,耗时(ms)：784

结果：50000000,耗时(ms)：776

结果：50000000,耗时(ms)：772

基于LongAdderCounter进行计数

结果：50000000,耗时(ms)：60

结果：50000000,耗时(ms)：53

结果：50000000,耗时(ms)：54

结果：50000000,耗时(ms)：52

结果：50000000,耗时(ms)：55

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：53

结果：50000000,耗时(ms)：55

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：51

基于LongAccumulatorCounter进行计数

结果：50000000,耗时(ms)：55

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：52

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：52

结果：50000000,耗时(ms)：52

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：51

结果：50000000,耗时(ms)：50