高性能队列disruptor为什么这么快？

Posted 2021-01-20 lewis09

背景

Disruptor是LMAX开发的一个高性能队列，研发的初衷是解决内存队列的延迟问题（在性能测试中发现竟然与I/O操作处于同样的数量级）。基于Disruptor开发的系统单线程能支撑每秒600万订单，2010年在QCon演讲后，获得了业界关注。2011年，企业应用软件专家Martin Fowler专门撰写长文介绍。同年它还获得了Oracle官方的Duke大奖。

目前，包括Apache Storm、Camel、Log4j2在内的很多知名项目都应用了Disruptor以获取高性能。

我们先知道disruptor是干什么的，然后笔者带你们源码搞一波，再来看看在log4j2中的运用。

一、Disruptor是什么？

可以这样总结，Disruptor是LMAX开源的、用于替代并发线程间数据交换的环形队列的、基本无锁的（只有部分等待策略存在）、高性能的线程间通讯框架。

Disruptor唯一可能遇到Java锁的时候，就是在消费者等待可用事件进行消费时。而Disruptor为这个等待过程，编写了包括使用锁和不使用锁的多种策略，可根据不同场景和需求进行选择。

开源：https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor

二、Disruptor为什么这么快

1、环形队列RingBuffer

一个环形队列，意味着首尾相连，对列可以循环使用，使用数组来保存。环形队列在JVM生命周期中通常是永生的，GC的压力更小。

 

我们来解释一下这个图：当前有一个consumer，停留在位置12，这时producer假设在位置3，这时producer的下一步是如何处理的呢？producer会尝试读取4，发现下一个可以获取，所以可以安全获取，并且通知一个阻塞的consumer起来活动。如此一直到下一圈11都是安全的（这里我们假设生产者比较快），当producer尝试访问12时发现不能继续，于是自旋等待；当consumer消费时，会调用barrier的waitFor方法，waitFor看到前面最近的安全节点已经到了下一圈的11，于是consumer可以无锁的去消费当前12到下一圈11所有数据，可以想象，这种方式比起synchronized要快上很多倍。

2、弃用锁机制使用CAS

在高度竞争的情况下，锁的性能将超过原子变量的性能，但是更真实的竞争情况下，原子变量的性能将超过锁的性能。同时原子变量不会有死锁等活跃性问题。能不用锁，就不使用锁，如果使用，也要将锁的粒度最小化。

唯一使用锁的就是消费者的等待策略实现类中，下图。补充一句，生产者的等到策略就是LockSupport.parkNanos(1)，再自旋判断。

 

名称	措施	适用场景
BlockingWaitStrategy	加锁	CPU资源紧缺，吞吐量和延迟并不重要的场景
BusySpinWaitStrategy	自旋	通过不断重试，减少切换线程导致的系统调用，而降低延迟。推荐在线程绑定到固定的CPU的场景下使用
PhasedBackoffWaitStrategy	自旋 + yield + 自定义策略	CPU资源紧缺，吞吐量和延迟并不重要的场景
SleepingWaitStrategy	自旋 + yield + sleep	性能和CPU资源之间有很好的折中。延迟不均匀
TimeoutBlockingWaitStrategy	加锁，有超时限制	CPU资源紧缺，吞吐量和延迟并不重要的场景
YieldingWaitStrategy	自旋 + yield + 自旋	性能和CPU资源之间有很好的折中。延迟比较均匀

3、解决伪共享，采用缓存行填充

从上图看到，线程1在CPU核心1上读写变量X，同时线程2在CPU核心2上读写变量Y，不幸的是变量X和变量Y在同一个缓存行上，每一个线程为了对缓存行进行读写，都要竞争并获得缓存行的读写权限，如果线程2在CPU核心2上获得了对缓存行进行读写的权限，那么线程1必须刷新它的缓存后才能在核心1上获得读写权限，这导致这个缓存行在不同的线程间多次通过L3缓存来交换最新的拷贝数据，这极大的影响了多核心CPU的性能。

下面代码解决伪共享问题的，就是实例变量前后各加7个long形变量，用空间换时间。

abstract class SingleProducerSequencerPad extends AbstractSequencer
{
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;

    SingleProducerSequencerPad(int bufferSize, WaitStrategy waitStrategy)
    {
        super(bufferSize, waitStrategy);
    }
}

public final class SingleProducerSequencer extends SingleProducerSequencerFields
{
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    //..省略
}

Java中通过填充缓存行，来解决伪共享问题的思路，现在可能已经是老生常谈，连Java8中都新增了sun.misc.Contended注解来避免伪共享问题。但在Disruptor刚出道那会儿，用缓存行来优化Java数据结构，这恐怕还很新潮。

4、还有一些细节性的

1）通过sequence & (bufferSize - 1)定位元素的index比普通的求余取模（%）要快得多。sequence >>> indexShift 快速计算出sequence/bufferSize的商flag（其实相当于当前sequence在环形跑道上跑了几圈，在数据生产时要设置好flag。

2）合理使用Unsafe，CPU级别指令。实现更加高效地内存管理和原子访问。

至于一些更细节的，下面源码搞起来，还是很简单的。

源码分析：

正在搞。。。

参考:

https://tech.meituan.com/disruptor.html

https://www.jianshu.com/p/c3c108c3dcfd