如此狂妄，自称高性能队列的Disruptor有啥来头？（）

2023-03-23 18:23:30 分类：java 阅读()

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　　并发框架Disruptor

　　1. Disruptor概述

　　1.1 背景

　　​ Disruptor是英国外汇交易公司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、Log4j 2在内的很多知名项目都应用了Disruptor以获取高性能。

　　​ 需要特别指出的是，这里所说的队列是系统内部的内存队列，而不是Kafka这样的分布式队列。

　　有界无锁 高并发队列

　　1.2 什么是Disruptor

　　​ Disruptor是用于一个JVM中多个线程之间的消息队列，作用与ArrayBlockingQueue有相似之处，但是Disruptor从功能、性能都远好于ArrayBlockingQueue，当多个线程之间传递大量数据或对性能要求较高时，可以考虑使用Disruptor作为ArrayBlockingQueue的替代者。

　　​ 官方也对Disruptor和ArrayBlockingQueue的性能在不同的应用场景下做了对比，目测性能只有有5~10倍左右的提升。

　　1.3 为什么使用Disruptor

　　​ 传统阻塞的队列使用锁保证线程安全，而锁通过操作系统内核上下文切换实现，会暂停线程去等待锁，直到锁释放。

　　​ 执行这样的上下文切换，会丢失之前保存的数据和指令。由于消费者和生产者之间的速度差异，队列总是接近满或者空的状态，这种状态会导致高水平的写入争用。

　　1.3.1 传统队列问题

　　首先这里说的队列也仅限于Java内部的消息队列

　　
1.3.2.1 log4j2

　　​ Log4j2异步日志使用到了disruptor, 日志一般是有缓冲区, 满了才写到文件, 增量追加文件结合NIO等应该也比较快， 所以无论是EventHandler还是WorkHandler处理应该延迟比较小的， 写的文件也不多， 所以场景是比较合适的。

　　1.3.2.2 Jstorm

　　​ 在流处理中不同线程中数据交换，数据计算可能蛮多内存中计算， 流计算快进快出，disruptor应该不错的选择。

　　1.3.2.3 百度uid-generator

　　​ 部分使用Ring buffer和去伪共享等思路缓存已生成的uid, 应该也部分参考了disruptor吧。

　　1.4 Disruptor 的核心概念

　　先从了解 Disruptor 的核心概念开始，来了解它是如何运作的。下面介绍的概念模型，既是领域对象，也是映射到代码实现上的核心对象。

　　1.4.1 Ring Buffer

　　Disruptor中的数据结构，用于存储生产者生产的数据

　　​ 如其名，环形的缓冲区。曾经 RingBuffer 是 Disruptor 中的最主要的对象，但从3.0版本开始，其职责被简化为仅仅负责对通过 Disruptor 进行交换的数据（事件）进行存储和更新。在一些更高级的应用场景中，Ring Buffer 可以由用户的自定义实现来完全替代。

　　1.4.2 Sequence

　　序号，在Disruptor框架中，任何地方都有序号

　　​ 生产者生产的数据放在RingBuffer中的哪个位置，消费者应该消费哪个位置的数据，RingBuffer中的某个位置的数据是什么，这些都是由这个序号来决定的。这个序号可以简单的理解为一个AtomicLong类型的变量。其使用了padding的方法去消除缓存的伪共享问题。

　　1.4.3 Sequencer

　　序号生成器，这个类主要是用来协调生产者的

　　​ 在生产者生产数据的时候，Sequencer会产生一个可用的序号（Sequence），然后生产者就就知道数据放在环形队列的那个位置了。

　　​ Sequencer是Disruptor的真正核心，此接口有两个实现类 SingleProducerSequencer、MultiProducerSequencer ，它们定义在生产者和消费者之间快速、正确地传递数据的并发算法。

　　1.4.4 Sequence Barrier

　　序号屏障

　　​ 我们都知道，消费者在消费数据的时候，需要知道消费哪个位置的数据。消费者总不能自己想取哪个数据消费，就取哪个数据消费吧。这个SequencerBarrier起到的就是这样一个“栅栏”般的阻隔作用。你消费者想消费数据，得，我告诉你一个序号（Sequence），你去消费那个位置上的数据。要是没有数据，就好好等着吧

　　1.4.5 Wait Strategy

　　Wait Strategy决定了一个消费者怎么等待生产者将事件（Event）放入Disruptor中。

　　​ 设想一种这样的情景：生产者生产的非常慢，而消费者消费的非常快。那么必然会出现数据不够的情况，这个时候消费者怎么进行等待呢？WaitStrategy就是为了解决问题而诞生的。

　　1.4.6 Event

　　​ 从生产者到消费者传递的数据叫做Event。它不是一个被 Disruptor 定义的特定类型，而是由 Disruptor 的使用者定义并指定。

　　1.4.7 EventHandler

　　​ Disruptor 定义的事件处理接口，由用户实现，用于处理事件，是 Consumer 的真正实现。

　　1.4.8 Producer

　　​ 即生产者，只是泛指调用 Disruptor 发布事件的用户代码，Disruptor 没有定义特定接口或类型。

　　1.5 Disruptor特性

　　​ Disruptor其实就像一个队列一样，用于在不同的线程之间迁移数据，但是Disruptor也实现了一些其他队列没有的特性，如：

　　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，也可以相互依赖形成处理的先后次序(形成一个依赖图)；

　　预分配用于存储事件内容的内存空间；

　　针对极高的性能目标而实现的极度优化和无锁的设计；

　　2. Disruptor入门

　　我们使用一个简单的例子来体验一下Disruptor，生产者会传递一个long类型的值到消费者，消费者接受到这个值后会打印出这个值。

　　2.1 添加依赖

　　

 dependency

 

　　 groupId com.lmax /groupId

　　 artifactId disruptor /artifactId

　　 version 3.4.2 /version

　　 /dependency

　　

 

　　2.2 Disruptor API

　　Disruptor 的 API 十分简单，主要有以下几个步骤

　　2.2.1 定义事件

　　首先创建一个 LongEvent 类，这个类将会被放入环形队列中作为消息内容。

　　事件(Event)就是通过 Disruptor 进行交换的数据类型。

　　

public class LongEvent {

 

　　 private long value;

　　 public void set(long value) {

　　 this.value = value;

　　 public long getValue() {

　　 return value;

　　

 

　　2.2.2 定义事件工厂

　　为了使用Disruptor的内存预分配event，我们需要定义一个EventFactory

　　​ 事件工厂(Event Factory)定义了如何实例化前面第1步中定义的事件(Event)，需要实现接口 com.lmax.disruptor.EventFactory T 。

　　Disruptor 通过 EventFactory 在 RingBuffer 中预创建 Event 的实例。

　　​ 一个 Event 实例实际上被用作一个“数据槽”，发布者发布前，先从 RingBuffer 获得一个 Event 的实例，然后往 Event 实例中填充数据，之后再发布到 RingBuffer 中，之后由 Consumer 获得该 Event 实例并从中读取数据。

　　

public class LongEventFactory implements EventFactory LongEvent {

 

　　 public LongEvent newInstance() {

　　 return new LongEvent();

　　

 

　　2.2.3 定义事件处理的具体实现

　　为了让消费者处理这些事件，所以我们这里定义一个事件处理器，负责打印event

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

　　

public class LongEventHandler implements EventHandler LongEvent {

 

　　 public void onEvent(LongEvent event, long sequence, boolean endOfBatch) {

　　 //CommonUtils.accumulation();

　　 System.out.println("consumer:" + Thread.currentThread().getName() + " Event: value=" + event.getValue() + ",sequence=" + sequence);

　　

 

　　2.2.4 指定等待策略

　　Disruptor 定义了 com.lmax.disruptor.WaitStrategy 接口用于抽象 Consumer 如何等待新事件，这是策略模式的应用

　　

WaitStrategy YIELDING_WAIT = new YieldingWaitStrategy();

 

　　

 

　　2.2.5 启动 Disruptor

　　注意ringBufferSize的大小必须是2的N次方

　　

// 指定事件工厂

 

　　LongEventFactory factory = new LongEventFactory();

　　// 指定 ring buffer字节大小, 必须是2的N次方

　　int bufferSize = 1024;

　　//单线程模式，获取额外的性能

　　Disruptor LongEvent disruptor = new Disruptor LongEvent (factory,

　　 bufferSize, Executors.defaultThreadFactory(),

　　 ProducerType.SINGLE,

　　 new YieldingWaitStrategy());

　　//设置事件业务处理器---消费者

　　disruptor.handleEventsWith(new LongEventHandler());

　　//启动disruptor线程

　　disruptor.start();

　　

 

　　2.2.6 使用Translators发布事件

　　在Disruptor的3.0版本中，由于加入了丰富的Lambda风格的API，可以用来帮组开发人员简化流程。所以在3.0版本后首选使用Event Publisher/Event Translator来发布事件。

　　

public class LongEventProducerWithTranslator {

 

　　 private final RingBuffer LongEvent ringBuffer;

　　 public LongEventProducerWithTranslator(RingBuffer LongEvent ringBuffer) {

　　 this.ringBuffer = ringBuffer;

　　 private static final EventTranslatorOneArg LongEvent, Long TRANSLATOR =

　　 new EventTranslatorOneArg LongEvent, Long () {

　　 public void translateTo(LongEvent event, long sequence, Long data) {

　　 event.set(data);

　　 public void onData(Long data) {

　　 ringBuffer.publishEvent(TRANSLATOR, data);

　　

 

　　2.2.7 关闭 Disruptor

　　

disruptor.shutdown();//关闭 disruptor，方法会堵塞，直至所有的事件都得到处理

 

　　

 

　　2.3 代码整合

　　2.3.1 LongEventMain

　　消费者-生产者启动类,其依靠构造Disruptor对象，调用start()方法完成启动线程。Disruptor 需要ringbuffer环，消费者数据处理工厂，WaitStrategy等

　　
//单线程模式，获取额外的性能

　　 Disruptor LongEvent disruptor = new Disruptor LongEvent (factory,

　　 bufferSize, Executors.defaultThreadFactory(),

　　 ProducerType.SINGLE,

　　 new YieldingWaitStrategy());

　　 //设置事件业务处理器---消费者

　　 disruptor.handleEventsWith(new LongEventHandler());

　　 //启动disruptor线程

　　 disruptor.start();

　　 // 获取 ring buffer环，用于接取生产者生产的事件

　　 RingBuffer LongEvent ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();

　　 //为 ring buffer指定事件生产者

　　 LongEventProducerWithTranslator producer = new LongEventProducerWithTranslator(ringBuffer);

　　 //循环遍历

　　 for (int i = 0; i 100; i++) {

　　 //获取一个随机数

　　 long value = (long) ((Math.random() * 1000000) + 1);

　　 //发布数据

　　 producer.onData(value);

　　 //停止disruptor线程

　　 disruptor.shutdown();

　　

 

 

　　2.3.2 运行测试

　　测试结果

　　

consumer:pool-1-thread-1 Event: value=579797,sequence=0

 

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=974942,sequence=1

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=978977,sequence=2

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=398080,sequence=3

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=867251,sequence=4

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=796707,sequence=5

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=786555,sequence=6

　　consumer:pool-1-thread-1 Event: value=182193,sequence=7

　　.....

　　

 

　　Event: value = 为消费者接收到的数据，sequence为数据在ringbuffer环的位置。
 

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