04-21 03:34 阅读 156

无锁并发框架-Disruptor的原理（一）

文章目录

一、Disruptor是什么

5.1、Sequence是什么
5.2、数组+序列号设计的优势
1、定义
2、应用场景
3、类似
4、核心设计原理
5、数据结构
6、核心组件与作用
7、等待策略（Wait Strategy）
8、写数据
9、使用

一、Disruptor是什么

1、定义

Disruptor是一个开源框架，研发的初衷是为了解决高并发下列队锁的问题，最早由LMAX（一种新型零售金融交易平台）提出并使用，能够在无锁的情况下实现队列的并发操作，并号称能够在一个线程里每秒处理6百万笔订单。

2、应用场景

生产消费者模型

3、类似

条件阻塞队列BlockingQueue，但是性能不太行。

ArrayBlockingQueue：基于数组形式的队列，通过加锁的方式，来保证多线程情况下数据的安全；
LinkedBlockingQueue：基于链表形式的队列，也通过加锁的方式，来保证多线程情况下数据的安全；
ConcurrentLinkedQueue：基于链表形式的队列，通过compare and swap(简称CAS)协议的方式，来保证多线程情况下数据的安全，
不加锁，主要使用了Java中的sun.misc.Unsafe类来实现

4、核心设计原理

Disruptor通过以下设计来解决队列速度慢的问题：1、环形数组结构：
为了避免垃圾回收，采用数组而非链表。同时，数组对处理器的缓存机制更加友好（CPU加载空间局部性原则）。2、元素位置定位：
数组长度2^n，通过位运算，加快定位的速度。下标采取递增的形式。不用担心index溢出的问题。index是long类型，即使100万QPS的处理速度，也需要30万年才能用完。3、无锁设计：
每个生产者或者消费者线程，会先申请可以操作的元素在数组中的位置，申请到之后，直接在该位置写入或者读取数据。

5、数据结构

框架使用RingBuffer来作为队列的数据结构，RingBuffer就是一个可自定义大小的环形数组。除数组外还有一个序列号(sequence)，用以指向下一个可用的元素，供生产者与消费者使用。原理图如下所示:

5.1、Sequence是什么

Disruptor通过顺序递增的序号来编号管理通过其进行交换的数据（事件），对数据(事件)的处理过程总是沿着序号逐个递增处理。

5.2、数组+序列号设计的优势

看HashMap，在知道索引(index)下标的情况下，存与取数组上的元素时间复杂度只有O(1)，而这个index我们可以通过序列号（hash值）*与数组的长度取模来计算得出，index=sequence % table.length。当然也可以用位运算来计算效率更高，此时table.length必须是2的幂次方(原理前面讲过)。所以只要是时间复杂度低，为O(1)。

6、核心组件与作用

RingBuffer——Disruptor底层数据结构实现，核心类，是线程间交换数据的中转地；
Sequencer——序号管理器，生产同步的实现者，负责消费者/生产者各自序号、序号栅栏的管理和协调,Sequencer有单生产者,多生产者两种不同的模式,里面实现了各种同步的算法；
Sequence——序号，声明一个序号，用于跟踪ringbuffer中任务的变化和消费者的消费情况，disruptor里面大部分的并发代码都是通过对Sequence的值同步修改实现的,而非锁,这是disruptor高性能的一个主要原因；
SequenceBarrier——序号栅栏，管理和协调生产者的游标序号和各个消费者的序号，确保生产者不会覆盖消费者未来得及处理的消息，确保存在依赖的消费者之间能够按照正确的顺序处理， Sequence Barrier是由Sequencer创建的,并被Processor持有；
EventProcessor——事件处理器，监听RingBuffer的事件，并消费可用事件，从RingBuffer读取的事件会交由实际的生产者实现类来消费；它会一直侦听下一个可用的号，直到该序号对应的事件已经准备好。
EventHandler——业务处理器，是实际消费者的接口，完成具体的业务逻辑实现，第三方实现该接口；代表着消费者。
Producer——生产者接口，第三方线程充当该角色，producer向RingBuffer写入事件。
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。

7、等待策略（Wait Strategy）

1、BlockingWaitStrategy
Disruptor的默认策略是BlockingWaitStrategy。在BlockingWaitStrategy内部是使用锁和condition来控制线程的唤醒。
BlockingWaitStrategy是最低效的策略，但其对CPU的消耗最小并且在各种不同部署环境中能提供更加一致的性能表现。2、SleepingWaitStrategy
SleepingWaitStrategy 的性能表现跟 BlockingWaitStrategy 差不多，对 CPU 的消耗也类似，但其对生产者线程的影响最小，
通过使用LockSupport.parkNanos(1)来实现循环等待。一般来说Linux系统会暂停一个线程约60µs，这样做的好处是，生产线程不需要
采取任何其他行动就可以增加适当的计数器，也不需要花费时间信号通知条件变量。但是，在生产者线程和使用者线程之间移动事件的平均
延迟会更高。它在不需要低延迟并且对生产线程的影响较小的情况最好。一个常见的用例是异步日志记录。3、YieldingWaitStrategy
YieldingWaitStrategy是可以使用在低延迟系统的策略之一。YieldingWaitStrategy将自旋以等待序列增加到适当的值。
在循环体内，将调用Thread.yield（），以允许其他排队的线程运行。在要求极高性能且事件处理线数小于 CPU 逻辑核心数的场景中，
推荐使用此策略；例如，CPU开启超线程的特性。4、BusySpinWaitStrategy
性能最好，适合用于低延迟的系统。在要求极高性能且事件处理线程数小于CPU逻辑核心数的场景中，推荐使用此策略；例如，CPU开启超线程的特性。

8、写数据

单线程写数据的流程：
申请写入m个元素；
若是有m个元素可以入，则返回最大的序列号。这儿主要判断是否会覆盖未读的元
素；
若是返回的正确，则生产者开始写入元素。

9、使用

Disruptor的使用