如此狂妄，自称高性能队列的Disruptor有啥来头？

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

队列有界性锁结构队列类型ArrayBlockingQueue有界加锁数组阻塞LinkedBlockingQueue可选加锁链表阻塞ConcurrentLinkedQueue无界无锁链表非阻塞LinkedTransferQueue无界无锁链表阻塞PriorityBlockingQueue无界加锁堆阻塞DelayQueue无界加锁堆阻塞1.3.2 Disruptor应用场景

参考使用到disruptor的一些框架.

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

1. <dependency>
2.     <groupId>com.lmax</groupId>
3.     <artifactId>disruptor</artifactId>
4.     <version>3.4.2</version>
5. </dependency>

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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。

1. public class LongEvent {
2.     private long value;
4.     public void set(long value) {
5.         this.value = value;
6.     }
8.     public long getValue() {
9.         return value;
10.     }
11. }

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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。
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。

1. public class LongEventFactory implements EventFactory<LongEvent> {
2.     public LongEvent newInstance() {
3.         return new LongEvent();
4.     }
5. }

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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 定义事件处理的具体实现。

1. public class LongEventHandler implements EventHandler<LongEvent> {
2.     public void onEvent(LongEvent event, long sequence, boolean endOfBatch) {
3.         //CommonUtils.accumulation();
4.         System.out.println("consumer:" + Thread.currentThread().getName() + " Event: value=" + event.getValue() + ",sequence=" + sequence);
5.     }
6. }

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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

1. WaitStrategy YIELDING_WAIT = new YieldingWaitStrategy();

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2.2.5 启动 Disruptor

注意ringBufferSize的大小必须是2的N次方

1. // 指定事件工厂
2. LongEventFactory factory = new LongEventFactory();
4. // 指定 ring buffer字节大小, 必须是2的N次方
5. int bufferSize = 1024;
7. //单线程模式，获取额外的性能
8. Disruptor<LongEvent> disruptor = new Disruptor<LongEvent>(factory,
9.                                                           bufferSize, Executors.defaultThreadFactory(),
10.                                                           ProducerType.SINGLE,
11.                                                           new YieldingWaitStrategy());
12. //设置事件业务处理器---消费者
13. disruptor.handleEventsWith(new LongEventHandler());
15. //启动disruptor线程
16. disruptor.start();

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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。

1. public class LongEventProducerWithTranslator {
2.     private final RingBuffer<LongEvent> ringBuffer;
4.     public LongEventProducerWithTranslator(RingBuffer<LongEvent> ringBuffer) {
5.         this.ringBuffer = ringBuffer;
6.     }
8.     private static final EventTranslatorOneArg<LongEvent, Long> TRANSLATOR =
9.             new EventTranslatorOneArg<LongEvent, Long>() {
10.                 public void translateTo(LongEvent event, long sequence, Long data) {
11.                     event.set(data);
12.                 }
13.             };
15.     public void onData(Long data) {
16.         ringBuffer.publishEvent(TRANSLATOR, data);
17.     }
18. }

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2.2.7 关闭 Disruptor

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

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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

• ByteBuffer 类字节buffer，用于包装消息。
  
• ProducerType.SINGLE为单线程 ，可以提高性能
  

1. public class LongEventMain {
2.     public static void main(String[] args) {
3.         // 指定事件工厂
4.         LongEventFactory factory = new LongEventFactory();
6.         // 指定 ring buffer字节大小, 必须是2的N次方
7.         int bufferSize = 1024;
9.         //单线程模式，获取额外的性能
10.         Disruptor<LongEvent> disruptor = new Disruptor<LongEvent>(factory,
11.                 bufferSize, Executors.defaultThreadFactory(),
12.                 ProducerType.SINGLE,
13.                 new YieldingWaitStrategy());
15.         //设置事件业务处理器---消费者
16.         disruptor.handleEventsWith(new LongEventHandler());
18.         //启动disruptor线程
19.         disruptor.start();
20.         // 获取 ring buffer环，用于接取生产者生产的事件
21.         RingBuffer<LongEvent> ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();
23.         //为 ring buffer指定事件生产者
24.         LongEventProducerWithTranslator producer = new LongEventProducerWithTranslator(ringBuffer);
25.         //循环遍历
26.         for (int i = 0; i < 100; i++) {
27.             //获取一个随机数
28.             long value = (long) ((Math.random() * 1000000) + 1);
29.             //发布数据
30.             producer.onData(value);
31.         }
32.         //停止disruptor线程
33.         disruptor.shutdown();
34.     }
35. }

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2.3.2 运行测试

测试结果

1. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=579797,sequence=0
2. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=974942,sequence=1
3. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=978977,sequence=2
4. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=398080,sequence=3
5. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=867251,sequence=4
6. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=796707,sequence=5
7. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=786555,sequence=6
8. consumer:pool-1-thread-1 Event: value=182193,sequence=7
9. .....

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Event: value = 为消费者接收到的数据，sequence为数据在ringbuffer环的位置。
本文由传智教育博学谷教研团队发布。
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