高性能并发队列Disruptor

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了高性能并发队列Disruptor相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

Disruptor

基本概念

  • Disruptor是一个高性能的异步处理框架,是一个轻量的Java消息服务JMS, 能够在无锁的情况下实现队列的并发操作
  • Disruptor使用环形数组实现了类似队列的功能,并且是一个有界队列.通常应用于生产者-消费者的场景
  • Disruptor是一个观察者模式的实现
  • Disruptor通过以下三种设计方案解决性能问题:
    • 环形数组结构:
      • 为了避免垃圾回收,使用数组代替链表
      • 数组对处理器的缓存机制更加友好
    • 元素位置定位:
      • 数组长度为2n, 可以通过位运算,提升定位的速度
      • 数组中元素下标采用递增的形式
      • index采用long类型,不用担心索引index溢出问题
    • 无锁设计:
      • 每个生产者或者消费者线程,会首先申请可以操作的元素在数组中的位置,如果申请成功,直接在申请到的位置上写入数据或者读取数据
  • Disruptor和BlockingQueue比较:
    • BlockingQueue: FIFO队列.生产者Producer向队列中发布publish一个事件时,消费者Consumer能够获取到通知.如果队列中没有消费的事件,消费者就会被阻塞,直到生产者发布新的事件
    • Disruptor可以比BlockingQueue做到更多:
      • Disruptor队列中同一个事件可以有多个消费者,消费者之间既可以并行处理,也可以形成依赖图相互依赖,按照先后次序进行处理
      • Disruptor可以预分配用于存储事件内容的内存空间
      • Disruptor使用极度优化和无锁的设计实现极高性能的目标
  • 通常情况下,如果存在两个独立的处理过程的线程时,就可以使用高性能的并发队列Disruptor来实现
  • Disruptor的优点:
    • 使用无锁的队列实现并发操作,性能非常高
    • 所有访问者都记录自身序号的实现方式,允许多个生产者和多个消费者共享相同的数据结构
    • 在每个对象,包括RingBuffer,WaitStrategy, 生产者Producer和消费者Consumer中都能跟踪序列号,使用了缓存行填充cache line padding, 这样就没有伪共享和非预期的竞争

Disruptor应用

定义事件

  • Event: 事件 .Disruptor队列中进行交换的数据类型

定义事件工厂

  • Event Factory: 定义事件Event实例化方法,用来实例化一个事件Event. 需要实现接口com.lmax.disruptor.EventFactory< T >
  • Disruptor通过事件工厂EventFactory在RingBuffer中预创建事件Event的实例
    • 一个事件实例Event类似于一个数据槽
    • 生产者Producer发布Publish之前,先从Ringbuffer中获取一个事件Event实例
    • 然后生产者Producer向事件Event实例中填充数据,然后再发布到RingBuffer中
    • 最后由消费者Consumer获取事件Event实例并读取实例中的数据

定义事件处理实现

  • 通过实现接口com.lmax.disruptor.EventHandler< T > 定义事件处理的具体实现

定义事件处理的线程池

  • Disruptor通过java.util.concurrent.ExecutorService提供的线程来触发消费者Consumer的事件处理

指定等待策略

  • Disruptor中使用策略模式定义消费者Consumer处理事件的等待策略,通过com.lmax.disruptor.WaitStrategy接口实现
  • WaitStrategy等待策略有三种常用的实现: 每种策略具有不同的性能和优缺点.根据实际运行环境的CPU的硬件特点选择恰当的策略,并且使用特定的JVM配置启动参数,能够实现不同的性能提升
    • BlockingWaitStrategy:
      • 性能最低
      • 对CPU的消耗最小
      • 能够在不同的部署环境中提供更加一致的性能
    • SleepingWaitStrategy:
      • 性能以及对CPU的消耗和BlockingWaitStrategy差不多
      • 对生产者线程影响最小
      • 适合应用于异步日志等场景
    • YieldingWaitStrategy:
      • 性能最高
      • 适合应用于低延迟的系统
      • 在要求极高的性能并且事件处理线程个数小于CPU逻辑核心个数的场景中,推荐使用这个等待策略
      • 比如CPU开启超线程的特性

启动Disruptor

EventFactory<Event> eventFactory = new EventFactory();
int ringBufferSize = 1024*1024;

Disruptor<Event> disruptor = new Disruptor<Event>(eventFactory, ringBufferSize, executor, ProcedureType.SINGLE, blockingWaitStrategy);
EventHandler<Event> eventHandler = new EventHandle();
disruptor.handleEventsWith(eventHandler);
disruptor.start();

发布事件

  • Disruptor的事件Event的发布Publish过程是一个两阶段提交过程:
    • 第一步: 先从RingBuffer获取下一个可以写入事件的序号
    • 第二步: 获取对应的事件Event对象,将数据写入事件对象
    • 第三步: 将事件提交到RingBuffer
  • Disruptor中要求RingBuffer.publish()方法必须要被调用.也就是说,即使发生异常,也要执行publish()方法,这就要求调用者Producer在事件处理的实现上要判断携带的数据的正确性和完整性

关闭Disruptor

  • disruptor.shutdown() : 关闭Disruptor. 方法会阻塞,直至所有的事件都得到处理
  • executor.shutdown() : 关闭Disruptor使用的线程池. 如果线程池需要关闭,必须进行手动关闭 ,Disruptor在shutdown时不会自动关闭使用的线程池

Disruptor原理

核心概念

RingBuffer

  • RingBuffer: 环形缓冲区
  • RingBuffer从3.0开始,仅仅负责对通过Disruptor进行交换的事件数据进行存储和更新
  • 在Disruptor的高级应用场景中 ,RingBuffer可以使用用户自定义的实现来替代

Sequence Disruptor

  • 使用顺序递增的序号来编号管理通过Sequence Disruptor进行交换的事件数据,对事件的处理总是按着序号逐个递增进行处理
  • 使用Sequence用于跟踪标识某个特定的事件处理者,包括RingBuffer和Consumer的处理进度
  • 使用Sequence来标识进度可以防止不同的Sequence之间的CPU的缓存间的伪共享Flase Sharing问题

Sequencer

  • Sequencer是Disruptor的核心
  • Sequencer接口有两个实现类:
    • SingleProducerSequencer
    • MultiProducerSequencer
    • 这是定义在生产者和消费者之间快速,正确传递数据的并发算法

Sequence Barrier

  • 用于保持对RingBuffer的published Sequence和Consumer依赖的其余的Consumer的Sequence引用
  • Sequence Barrier中定义了Consumer是否还有可处理的事件的逻辑

WaitStrategy

  • WaitStrategy定义Consumer等待事件的策略

Event

  • Disruptor中生产者Producer和消费者Consumer之间进行交换的数据叫做事件Event
  • Event类型不是Disruptor定义的,而是由Disruptor的使用者来自定义指定

EventProcessor

  • EventProcessor持有指定的消费者Consumer的Sequence, 并且提供用于调用事件处理实现的事件循环EventLoop

EventHandler

  • Disruptor中定义的事件处理接口,由使用者实现,用于事件的具体处理,是消费者Consumer的真正实现

Producer

  • Producer: 生产者. 泛指Disruptor发布事件的调用方.没有在Disruptor中定义特定的接口或者类型

内存预分配

  • RingBuffer使用数组Object[] entries来存储元素:
    • 初始化RingBuffer时,会将所有数组元素entries的指定为特定的事件Event参数,此时Event中的detail属性为null
    • 生产者向RingBuffer写入消息时 ,RingBuffer不是直接将数组元素entries指向Event对象,而是先获取Event对象,更改Event对象中的detail属性
    • 消费者在消费时,也是从RingBuffer中读取Event, 读取Event对象中的detail属性
    • 由此可见,在生产和消费过程中 ,RingBuffer中的数组元素entries没有发生任何变化,没有产生临时对象,数组中的元素一直存活,直到RingBuffer消亡
  • 通过以上方式,可以最小化JVM中的垃圾回收GC的频率,提升性能
private void fill(EventFactory<E> eventFactory) {
	for (int i = 0; i < bufferSize; i++) {
		// 使用工厂方法初始化数组中的entries元素
		entries[BUFFER_PAD + i] = eventFactory.newInstance(); 
	}
}

消除伪共享

  • Disruptor中的伪共享: 如果两个相互独立的并发变量位于同一个缓存行时,在并发的情况下,会相互影响彼此的缓存有效性,进而影响并发操作的性能
  • Disruptor中消除伪共享:
    • Sequence.java中使用多个long变量填充,确保一个序号独占一个缓存行
private static class Padding {
	public long nextValue = Sequence.INITIAL_VALUE, cachedValue = Sequence.INITIAL_VALUE, p2, p3, p4, p5, p6, p7; 
}

消除锁和CAS操作

  • Disruptor中,通过联合使用SequenceBarrier和Sequence, 协调和管理消费者和生产者之间的处理关系,避免了锁和CAS操作
  • Disruptor中的各个消费者和生产者持有自己的序号Sequence, 序号Sequence需要满足以下条件:
    • 条件一: 消费者的序号Sequence的数值必须小于生产者的序号Sequence的数值
    • 条件二: 消费者的序号Sequence的数值必须小于依赖关系中前置的消费者的序号Sequence的数值
    • 条件三: 生产者的序号Sequence的数值不能大于消费者正在消费的序号Sequence的数值,防止生产者速度过快,将还没有来得及消费的事件消息覆盖
  • 条件一和条件二在SequenceBarrier中的waitFor() 方法中实现:
/**
 * 等待给定的序号值可以供消费者使用
 *  
 * @param sequence 消费者期望获取的下一个序号值
 * @return long 可供消费者使用的序号的值
 */
public long waitFor(final long sequence) throws AlertException, InterruptedException, TimeoutException {
	checkALert();

	/**
	 * 根据指定的waitStrategy策略，等待期望的下一序号值可供使用
	 * 这里不一定能保证返回值availableSequence一定和给定的参数sequence的值相等，两者的大小关系取决于使用的等待策略waitStrategy
	 * - YieldingWaitStrategy : 自旋100次后，会直接返回dependentSequence中最小的序号sequence，这是不能保证返回的值大于等于给定的序号值
	 * - BlockingWaitStrategy : 阻塞等待给定的序号sequence值可用为止，可用不是返回的值就等于给定的序号值，而是返回的值大于等于给定的序号值
	 */
	long availableSequence = waitStrategy.waitFor(sequence, cursorSequence, dependentSequence, this);

	// 如果当前可用的序号值小于给定的序号值，就返回当前可用的序号值，此时调用者EventProcessor会继续等待wait
	if (availableSequence < sequence) {
		return sequence;
	}

	// 批处理
	return sequencer.getHighestPublishedSequence(sequence, availableSequence);
}
  • 条件三是针对生产者建立的SequenceBarrier,逻辑判定发生在生产者从RingBuffer获取下一个可用的entry时,RingBuffer会将获取下一个可用的entry委托给Sequencer处理:
@Override
public long next() {
	if (n < 1) {
		throw new IllegalArgumentException("n must be > 0");
	}
	long nextValue = this.nextValue;
	// 下一个序号值等于当前序号值加上期望获取的序号数量
	long nextSequence = nextValue + n;
	
	// 使用下一个序号值减掉RingBuffer中的总量值bufferSize，来判断是否会发生覆盖
	long wrapPoint = nextSequence - bufferSize;
	
	/*
	 * cachedValue就是缓存的消费者中的最小序号值
	 * cachedValue不是当前最新的消费者中最小序号值，而是上一次方法调用时进入到下面if条件判断时，被赋值的消费者中最小序号值
	 * 
	 * 这样做可以在判定是否出现覆盖的时候，不需要每次都调用getMinimumSequence计算消费者中的最小序号值，从而节省开销。只要确保
	 * 当生产者的值大于了缓存cachedGatingSequence一个bufferSize时，重新获取一下getMinimumSequence()即可
	 */
	long cachedGatingSequence = this.cachedValue;

	/*
	 * wrapPoint > cachedGatingSequence : 当生产者已经超过上一次缓存的消费者中的最小序号值cachedGatingSequence一个bufferSize大小时，需要重新获取cachedGatingSequence，防止生产者一直生产，消费者没有来得及消费时，发生覆盖的情况
	 * cachedGatingSequence > nextValue : 生产者和消费者的序号值都是顺序递增的，并且生产者的序号Sequence是先于消费者Sequence，这里是先于而不是大于。对于nextValue的值大于了LONG.MAXVALUE时，此时nextValue + 1就会变为负数，wrapPoint值也会变为负数，此时必然cachedGatingSequence > nextValue。 getMinimumSequence()获取的是消费者中最小序号值，但不代表是走在最后的一个消费者
	 */
	if (wrapPoint > cachedGatingSequence || cachedGatingSequence > nextValue) {
		cursor.setVolatile(nextValue);
		long minSequence;
		while (wrapPoint > (minSequence = Util.getMinimumSequence(gatingSequences, nextValue))) {
			// 生产者阻塞，等待消费者消费，直到不会发生覆盖的情况继续向下执行
			LockSupport.parkNanos(1L);
		}
		this.cacheValue = minSequence;
	}
	this.nextValue = nextSequence;
	return nextSequence;
}

批处理效应

  • 当出现生产者比消费者过快时,消费者可以通过批处理效应来追赶生产者进度
    • 消费者一次性从RingBuffer中获取多个已经准好的数组事件元素进行消费处理,从而提高消费效率
/**
 * 等待给定的序号值可以供消费者使用
 *  
 * @param sequence 消费者期望获取的下一个序号值
 * @return long 可供消费者使用的序号的值
 */
public long waitFor(final long sequence) throws AlertException, InterruptedException, TimeoutException {
	checkALert();
	long availableSequence = waitStrategy.waitFor(sequence, cursorSequence, dependentSequence, this);
	if (availableSequence < sequence) {
		return sequence;
	}

	/*
	 * 获取消费者可以消费的最大序列号，通过批处理来提升效率:
	 * - 当availableSequence > sequence时，需要遍历序号sequence到序号availableSequence，获取到最前面一个准备就绪，可以进行消费的事件Event对应的序号sequence
	 * - 最小值为sequence - 1 
	 */
	return sequencer.getHighestPublishedSequence(sequence, availableSequence);
}

以上是关于高性能并发队列Disruptor的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

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