引言

Java屆很難得有讀百十行代碼就能增加修煉的機會，這里有一個。

通常，我在看書的時候一般不寫代碼，因為我的腦袋被設(shè)定成單線程的，一旦同時喂給它不同的信息，它就無法處理。

但多線程對電腦來說就是小菜一碟，它可以同時做很多事，看起來匪夷所思。好希望把自己的大腦皮層移植到這些牛x的設(shè)備上。

用人腦思考電腦正在思考的問題，這本身就是一種折磨。但平常的工作和面試中，又不得不面對這樣的場景，所以多線程就成了編程路上一塊難啃的骨頭。

HikariCP是SpringBoot默認的數(shù)據(jù)庫連接池，它毫不謙虛的的起了一個叫做光的名字，這讓國產(chǎn)Druid很沒面子。

還是言歸正傳，看一下Hikari中的ConcurrentBag吧。

核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

多線程代碼一個讓人比較頭疼的問題，就是每個API我都懂，但就是不會用。很多對concurrent包倒背如流的同學，在面對現(xiàn)實的問題時，到最后依然不得不被迫加上Lock或者synchronized。

ConcurrentBag是一個Lock free的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要用作數(shù)據(jù)庫連接的存儲，可以說整個HikariCP的核心就是它。刪掉亂七八糟的注釋和異常處理，可以說關(guān)鍵的代碼也就百十來行，但里面的道道卻非常的多。

ConcurrentBag速度很快，要達到這個目標，就需要一定的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持。

private final CopyOnWriteArrayList<T> sharedList;
private final ThreadLocal<List<Object>> threadList;
private final AtomicInteger waiters;
private final SynchronousQueue<T> handoffQueue;

• sharedList 用來緩存所有的連接，是一個CopyOnWriteArrayList結(jié)構(gòu)。
• threadList 用來緩存某個線程所使用的所有連接，相當于快速引用，是一個ThreadLocal類型的ArrayList。
• waiters 當前正在獲取連接的等待者數(shù)量。AtomicInteger，就是一個自增對象。當waiters的數(shù)量大于0時候，意味著有線程正在獲取資源。
• handoffQueue 0容量的快速傳遞隊列，SynchronousQueue類型的隊列，非常有用。

ConcurrentBag里面的元素，為了能夠無鎖化操作，需要使用一些變量來標識現(xiàn)在處于的狀態(tài)。抽象的接口如下：

public interface IConcurrentBagEntry{
    int STATE_NOT_IN_USE = 0;
    int STATE_IN_USE = 1;
    int STATE_REMOVED = -1;
    int STATE_RESERVED = -2;
    boolean compareAndSet(int expectState, int newState);
    void setState(int newState);
    int getState();
}

有了這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持，我們的ConcurrentBag就可以實現(xiàn)它光的宣稱了。

獲取連接

連接的獲取是borrow方法，還可以傳入一個timeout作為超時控制。

public T borrow(long timeout, final TimeUnit timeUnit) throws InterruptedException

首先，如果某個線程執(zhí)行非常快，使用了比較多的連接，就可以使用ThreadLocal的方式快速獲取連接對象，而不用跑到大池子里面去獲取。代碼如下。

// Try the thread-local list first
final var list = threadList.get();
for (int i = list.size() - 1; i >= 0; i--) {
    final var entry = list.remove(i);
    final T bagEntry = weakThreadLocals ? ((WeakReference<T>) entry).get() : (T) entry;
    if (bagEntry != null && bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
        return bagEntry;
    }
}

我們都知道，包括ArrayList和HashMap一些基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，都是Fail Fast的，如果你在遍歷的時候，刪掉一些數(shù)據(jù)，有可能會引起問題。幸運的是，由于我們的List是從ThreadLocal獲取的，它首先就避免了線程安全的問題。

接下來就是遍歷。這段代碼采用的是尾遍歷（頭遍歷會出現(xiàn)錯誤），用于快速的從列表中找到一個可以復(fù)用的對象，然后使用CAS來把狀態(tài)置為使用中。但如果對象正在被使用，則直接刪除它。

在ConcurrentBag里，每個ThreadLocal最多緩存50個連接對象引用。

當ThreadLocal里找不到可復(fù)用的對象，它就會到大池子里去拿。也就是下面這段代碼。

// Otherwise, scan the shared list ... then poll the handoff queue
final int waiting = waiters.incrementAndGet();
try {
   for (T bagEntry : sharedList) {
      if (bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
         // If we may have stolen another waiter's connection, request another bag add.
         if (waiting > 1) {
            listener.addBagItem(waiting - 1);
         }
         return bagEntry;
      }
   }
   listener.addBagItem(waiting);
   // 還拿不到，就需要等待別人釋放了
   timeout = timeUnit.toNanos(timeout);
   do {
      final var start = currentTime();
      final T bagEntry = handoffQueue.poll(timeout, NANOSECONDS);
      if (bagEntry == null || bagEntry.compareAndSet(STATE_NOT_IN_USE, STATE_IN_USE)) {
         return bagEntry;
      }
      timeout -= elapsedNanos(start);
   } while (timeout > 10_000);
   return null;
}
finally {
   waiters.decrementAndGet();
}

首先要注意，這段代碼可能是由不同的線程執(zhí)行的，所以必須要考慮線程安全問題。由于shardList是線程安全的CopyOnWriteArrayList，適合讀多寫少的場景，我們可以直接進行遍歷。

這段代碼的目的是一樣的，需要從sharedList找到一個空閑的連接對象。這里把自增的waiting變量傳遞到外面的代碼進行處理，主要是由于想要根據(jù)waiting的大小來確定是否創(chuàng)建新的對象。

如果無法從池子里獲取連接，則需要等待別的線程釋放一些資源。

創(chuàng)建對象的過程是異步的，要想獲取它，還需要依賴一段循環(huán)代碼。while循環(huán)代碼是納秒精度，會嘗試從handoffQueue里獲取。最終會調(diào)用SynchronousQueue的transfer方法。

歸還連接

有借就有還，當某個連接使用完畢，它將被歸還到池子中。

public void requite(final T bagEntry)
{
   bagEntry.setState(STATE_NOT_IN_USE);
   for (var i = 0; waiters.get() > 0; i++) {
      if (bagEntry.getState() != STATE_NOT_IN_USE || handoffQueue.offer(bagEntry)) {
         return;
      }
      else if ((i & 0xff) == 0xff) {
         parkNanos(MICROSECONDS.toNanos(10));
      }
      else {
         Thread.yield();
      }
   }
   final var threadLocalList = threadList.get();
   if (threadLocalList.size() < 50) {
      threadLocalList.add(weakThreadLocals ? new WeakReference<>(bagEntry) : bagEntry);
   }
}

首先，把這個對象置為可用狀態(tài)。然后，代碼會進入一個循環(huán)，等待使用方把這個連接接手過去。當連接處于STATE_NOT_IN_USE狀態(tài)，或者隊列中的數(shù)據(jù)被取走了，那么就可以直接返回了。

由于waiters.get()是實時獲取的，有可能長時間一直大于0，這樣代碼就會變成死循環(huán)，浪費CPU。代碼會嘗試不同層次的睡眠，一個是每隔255個waiter睡10ns，一個是使用yield讓出cpu時間片。

如果歸還連接的時候并沒有被其他線程獲取到，那么最后我們會把歸還的連接放入到相對應(yīng)的ThreadLocal里，因為對一個連接來說，借和還，通常是一個線程。

知識點

看起來平平無奇的幾行代碼，為什么搞懂了就能Hold住大部分的并發(fā)編程場景呢？主要還是這里面的知識點太多。下面我簡單羅列一下，你可以逐個攻破。

• 使用ThreadLocal來緩存本地資源引用，使用線程封閉的資源來減少鎖的沖突
• 采用讀多寫少的線程安全的CopyOnWriteArrayList來緩存所有對象，幾乎不影響讀取效率
• 使用基于CAS的AtomicInteger來計算等待者的數(shù)量，無鎖操作使得計算更加快速
• 0容量的交換隊列SynchronousQueue，使得對象傳遞更加迅速
• 采用compareAndSet的CAS原語來控制狀態(tài)的變更，安全且效率高。很多核心代碼都是這么設(shè)計的
• 在循環(huán)中使用park、yield等方法，避免死循環(huán)占用大量CPU
• 需要了解并發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的offer、poll、peek、put、take、add、remove方法的區(qū)別，并靈活應(yīng)用
• CAS在設(shè)置狀態(tài)時，采用了volatile關(guān)鍵字修飾，對于volatile的使用也是一個常見的優(yōu)化點
• 需要了解WeakReference弱引用在垃圾回收時候的表現(xiàn)

麻雀雖小，五臟俱全。如果你想要你的多線程編程能力更上一層樓，讀一讀這個短小精悍的ConcurrentBag吧。當你掌握了它，多線程的那些東西，不過是小菜一碟。

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