并发编程之Disruptor并发框架

一、什么是disruptor

martin fowler在自己网站上写了一篇lmax架构的文章，在文章中他介绍了lmax是一种新型零售金融交易平台，它能够以很低的延迟产生大量交易。这个系统是建立在jvm平台上，其核心是一个业务逻辑处理器，它能够在一个线程里每秒处理6百万订单。业务逻辑处理器完全是运行在内存中，使`用事件源驱动方式。业务逻辑处理器的核心是disruptor。

disruptor它是一个开源的并发框架，并获得2011 duke’s 程序框架创新奖，能够在无锁的情况下实现网络的queue并发操作。

disruptor是一个高性能的异步处理框架，或者可以认为是最快的消息框架（轻量的jms），也可以认为是一个观察者模式的实现，或者事件监听模式的实现。

在使用之前，首先说明disruptor主要功能加以说明，你可以理解为他是一种高效的"生产者-消费者"模型。也就性能远远高于传统的blockingqueue容器。

在jdk的多线程与并发库一文中, 提到了blockingqueue实现了生产者-消费者模型
blockingqueue是基于锁实现的, 而锁的效率通常较低. 有没有使用cas机制实现的生产者-消费者

disruptor使用观察者模式, 主动将消息发送给消费者, 而不是等消费者从队列中取; 在无锁的情况下, 实现queue(环形, ringbuffer)的并发操作, 性能远高于blockingqueue

二、disruptor的设计方案

disruptor通过以下设计来解决队列速度慢的问题：

• 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。
• 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。
• 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。

三、disruptor实现生产与消费

1、pom maven依赖信息

    <dependencies>
        <dependency>
            <groupid>com.lmax</groupid>
            <artifactid>disruptor</artifactid>
            <version>3.2.1</version>
        </dependency>
    </dependencies>

2、首先声明一个event来包含需要传递的数据：

//定义事件event  通过disruptor 进行交换的数据类型。
public class longevent {

    private long value;

    public long getvalue() {
        return value;
    }

    public void setvalue(long value) {
        this.value = value;
    }

}

3、需要让disruptor为我们创建事件，我们同时还声明了一个eventfactory来实例化event对象。

public class longeventfactory implements eventfactory<longevent> {

    public longevent newinstance() {

        return new longevent();
    }

}

4、事件消费者，也就是一个事件处理器。这个事件处理器简单地把事件中存储的数据打印到终端：

public class longeventhandler implements eventhandler<longevent>  {

    public void onevent(longevent event, long sequence, boolean endofbatch) throws exception {
         system.out.println("消费者:"+event.getvalue());
    }

}

5、定义生产者发送事件

public class longeventproducer {

    public final ringbuffer<longevent> ringbuffer;

    public longeventproducer(ringbuffer<longevent> ringbuffer) {
        this.ringbuffer = ringbuffer;
    }

    public void ondata(bytebuffer bytebuffer) {
        // 1.ringbuffer 事件队列 下一个槽
        long sequence = ringbuffer.next();
        long data = null;
        try {
            //2.取出空的事件队列
            longevent longevent = ringbuffer.get(sequence);
            data = bytebuffer.getlong(0);
            //3.获取事件队列传递的数据
            longevent.setvalue(data);
            try {
                thread.sleep(10);
            } catch (interruptedexception e) {
                // todo auto-generated catch block
                e.printstacktrace();
            }
        } finally {
            system.out.println("生产这准备发送数据");
            //4.发布事件
            ringbuffer.publish(sequence);

        }
    }

}

6、main函数执行调用

public class disruptormain {

    public static void main(string[] args) {
        // 1.创建一个可缓存的线程 提供线程来出发consumer 的事件处理
        executorservice executor = executors.newcachedthreadpool();
        // 2.创建工厂
        eventfactory<longevent> eventfactory = new longeventfactory();
        // 3.创建ringbuffer 大小
        int ringbuffersize = 1024 * 1024; // ringbuffersize大小一定要是2的n次方
        // 4.创建disruptor
        disruptor<longevent> disruptor = new disruptor<longevent>(eventfactory, ringbuffersize, executor,
                producertype.single, new yieldingwaitstrategy());
        // 5.连接消费端方法
        disruptor.handleeventswith(new longeventhandler());
        // 6.启动
        disruptor.start();
        // 7.创建ringbuffer容器
        ringbuffer<longevent> ringbuffer = disruptor.getringbuffer();
        // 8.创建生产者
        longeventproducer producer = new longeventproducer(ringbuffer);
        // 9.指定缓冲区大小
        bytebuffer bytebuffer = bytebuffer.allocate(8);
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            bytebuffer.putlong(0, i);
            producer.ondata(bytebuffer);
        }
        //10.关闭disruptor和executor
        disruptor.shutdown();
        executor.shutdown();
    }

}

四、什么是ringbuffer

它是一个环（首尾相接的环），你可以把它用做在不同上下文（线程）间传递数据的buffer。

基本来说，ringbuffer拥有一个序号，这个序号指向数组中下一个可用的元素。（校对注：如下图右边的图片表示序号，这个序号指向数组的索引4的位置。）

随着你不停地填充这个buffer（可能也会有相应的读取），这个序号会一直增长，直到绕过这个环。

要找到数组中当前序号指向的元素，可以通过mod操作：
以上面的ringbuffer为例（java的mod语法）：12 % 10 = 2。很简单吧。 事实上，上图中的ringbuffer只有10个槽完全是个意外。如果槽的个数是2的n次方更有利于基于二进制

优点

之所以ringbuffer采用这种数据结构，是因为它在可靠消息传递方面有很好的性能。这就够了，不过它还有一些其他的优点。

首先，因为它是数组，所以要比链表快，而且有一个容易预测的访问模式。（译者注：数组内元素的内存地址的连续性存储的）。这是对cpu缓存友好的—也就是说，在硬件级别，数组中的元素是会被预加载的，因此在ringbuffer当中，cpu无需时不时去主存加载数组中的下一个元素。（校对注：因为只要一个元素被加载到缓存行，其他相邻的几个元素也会被加载进同一个缓存行）

其次，你可以为数组预先分配内存，使得数组对象一直存在（除非程序终止）。这就意味着不需要花大量的时间用于垃圾回收。此外，不像链表那样，需要为每一个添加到其上面的对象创造节点对象—对应的，当删除节点时，需要执行相应的内存清理操作。

ringbuffer底层实现

ringbuffer是一个首尾相连的环形数组，所谓首尾相连，是指当ringbuffer上的指针越过数组是上界后，继续从数组头开始遍历。因此，ringbuffer中至少有一个指针，来表示ringbuffer中的操作位置。另外，指针的自增操作需要做并发控制，disruptor和本文的optimizedqueue都使用cas的乐观并发控制来保证指针自增的原子性。

disruptor中的ringbuffer上只有一个指针，表示当前ringbuffer上消息写到了哪里，此外，每个消费者会维护一个sequence表示自己在ringbuffer上读到哪里，从这个角度讲，disruptor中的ringbuffer上实际有消费者数+1个指针。由于我们要实现的是一个单消息单消费的阻塞队列，只要维护一个读指针（对应消费者）和一个写指针（对应生产者）即可，无论哪个指针，每次读写操作后都自增一次，一旦越界，即从数组头开始继续读写

五、disruptor的核心概念

ringbuffer

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。

sequencedisruptor

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。一个 sequence 用于跟踪标识某个特定的事件处理者( ringbuffer/consumer )的处理进度。虽然一个 atomiclong 也可以用于标识进度，但定义 sequence 来负责该问题还有另一个目的，那就是防止不同的 sequence 之间的cpu缓存伪共享(flase sharing)问题。

sequencer

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。

sequence barrier

用于保持对ringbuffer的 main published sequence 和consumer依赖的其它consumer的 sequence 的引用。 sequence barrier 还定义了决定 consumer 是否还有可处理的事件的逻辑。

wait strategy

定义 consumer 如何进行等待下一个事件的策略。 （注：disruptor 定义了多种不同的策略，针对不同的场景，提供了不一样的性能表现）

event

在 disruptor 的语义中，生产者和消费者之间进行交换的数据被称为事件(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。

eventprocessor

eventprocessor 持有特定消费者(consumer)的 sequence，并提供用于调用事件处理实现的事件循环(event loop)。

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。

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。

各概念的作用

• 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，负责消费者/生产者各自序号、序号栅栏的管理和协调；
• 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；
• 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；
• 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序号，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。

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