高性能队列disruptor为什么这么快?

2018-11-20 03:22:55来源:博客园 阅读 ()

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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

 

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