环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)

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高性能 BoundedBuffer 条带环形队列

Caffeine 源码中,用到几个高性能数据结构要讲

  • 一个是 条带环状 队列 (超高性能、无锁队列
  • 一个是mpsc队列 (超高性能、无锁队列
  • 一个是 多级时间轮

这里给大家 介绍 环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer 。

剩下的两个结构, 稍后一点 ,使用专门的 博文介绍。

CAS 的优势与核心问题

由于JVM重量级锁使用了Linux内核态下的互斥锁(Mutex),这是重量级锁开销很大的原因。

抢占与释放的过程中,涉及到 进程的 用户态和 内核态, 进程的 用户空间 和内核空间之间的切换, 性能非常低。

而CAS进行自旋抢锁,这些CAS操作都处于用户态下,进程不存在用户态和内核态之间的运行切换,因此JVM轻量级锁开销较小。这是 CAS 的优势。

但是, 任何事情,都有两面性。

CAS 的核心问题是什么呢?

在争用激烈的场景下,会导致大量的CAS空自旋。

比如,在大量的线程同时并发修改一个AtomicInteger时,可能有很多线程会不停地自旋,甚至有的线程会进入一个无限重复的循环中。

大量的CAS空自旋会浪费大量的CPU资源,大大降低了程序的性能。

除了存在CAS空自旋之外,在SMP架构的CPU平台上,大量的CAS操作还可能导致“总线风暴”,具体可参见《Java高并发核心编程 卷2 加强版》第5章的内容。

在高并发场景下如何提升CAS操作性能/ 解决CAS恶性空自旋 问题呢?

较为常见的方案有两种:

  • 分散操作热点、
  • 使用队列削峰。

比如,在自增的场景中, 可以使用LongAdder替代AtomicInteger。

这是一种 分散操作热点 ,空间换时间 方案,

也是 分而治之的思想。

以空间换时间:LongAdder 以及 Striped64

Java 8提供一个新的类LongAdder,以空间换时间的方式提升高并发场景下CAS操作性能。

LongAdder核心思想就是热点分离,与ConcurrentHashMap的设计思想类似:将value值分离成一个数组,当多线程访问时,通过Hash算法将线程映射到数组的一个元素进行操作;而获取最终的value结果时,则将数组的元素求和。

最终,通过LongAdder将内部操作对象从单个value值“演变”成一系列的数组元素,从而减小了内部竞争的粒度。LongAdder的演变如图3-10所示。

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第1张图片

图3-10 LongAdder的操作对象由单个value值“演变”成了数组

LongAdder的分治思想和架构

LongAdder的操作对象由单个value值“演变”成了数组

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第2张图片

LongAdder 继承了 Striped64,核心源码在 Striped64中。

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第3张图片

条带累加Striped64的结构和源码

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第4张图片

/**
 * A package-local class holding common representation and mechanics
 * for classes supporting dynamic striping on 64bit values. The class
 * extends Number so that concrete subclasses must publicly do so.
 */
@SuppressWarnings("serial")
abstract class Striped64 extends Number {
   

    /**
     * Padded variant of AtomicLong supporting only raw accesses plus CAS.
     *
     * JVM intrinsics note: It would be possible to use a release-only
     * form of CAS here, if it were provided.
     */
    @sun.misc.Contended static final class Cell {
        volatile long value;
        Cell(long x) { value = x; }
        final boolean cas(long cmp, long val) {
            return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);
        }

        // Unsafe mechanics
        private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
        private static final long valueOffset;
        static {
            try {
                UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
                Class ak = Cell.class;
                valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                    (ak.getDeclaredField("value"));
            } catch (Exception e) {
                throw new Error(e);
            }
        }
    }

    /** Number of CPUS, to place bound on table size */
    static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();

    /**
     * Table of cells. When non-null, size is a power of 2.
     */
    transient volatile Cell[] cells;

    /**
     * Base value, used mainly when there is no contention, but also as
     * a fallback during table initialization races. Updated via CAS.
     */
    transient volatile long base;

    /**
     * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating Cells.
     */
    transient volatile int cellsBusy;

    /**
     * Package-private default constructor
     */
    Striped64() {
    }

以上源码的特别复杂,请参见 《Java高并发核心编程 卷2 加强版》

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第5张图片

BoundedBuffer 的核心源码

/**
 * A striped, non-blocking, bounded buffer.
 *
 * @author [email protected] (Ben Manes)
 * @param  the type of elements maintained by this buffer
 */
final class BoundedBuffer extends StripedBuffer

它是一个 striped、非阻塞、有界限的 buffer,继承于StripedBuffer类。

下面看看StripedBuffer的实现:

/**
 * A base class providing the mechanics for supporting dynamic striping of bounded buffers. This
 * implementation is an adaption of the numeric 64-bit {@link java.util.concurrent.atomic.Striped64}
 * class, which is used by atomic counters. The approach was modified to lazily grow an array of
 * buffers in order to minimize memory usage for caches that are not heavily contended on.
 *
 * @author [email protected] (Doug Lea)
 * @author [email protected] (Ben Manes)
 */

abstract class StripedBuffer implements Buffer

StripedBuffer (条带缓冲)的架构

解决CAS恶性空自旋的有效方式之一是以空间换时间,较为常见的方案有两种:

  • 分散操作热点、
  • 使用队列削峰。

这个StripedBuffer设计的思想是跟Striped64类似的,通过扩展结构把分散操作热点(/竞争热点分离)

具体实现是这样的,StripedBuffer维护一个Buffer[]数组,叫做table,每个元素就是一个RingBuffer,

每个线程用自己id属性作为 hash 值的种子产生hash值,这样就相当于每个线程都有自己“专属”的RingBuffer,

在hash分散很均衡的场景下,就不会尽量的降低竞争,避免空自旋,

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第6张图片

看看StripedBuffer的属性

/** Table of buffers. When non-null, size is a power of 2. */
//RingBuffer数组
transient volatile Buffer @Nullable[] table;

//当进行resize时,需要整个table锁住。tableBusy作为CAS的标记。
static final long TABLE_BUSY = UnsafeAccess.objectFieldOffset(StripedBuffer.class, "tableBusy");
static final long PROBE = UnsafeAccess.objectFieldOffset(Thread.class, "threadLocalRandomProbe");

/** Number of CPUS. */
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();

/** The bound on the table size. */
//table最大size
static final int MAXIMUM_TABLE_SIZE = 4 * ceilingNextPowerOfTwo(NCPU);

/** The maximum number of attempts when trying to expand the table. */
//如果发生竞争时(CAS失败)的尝试次数
static final int ATTEMPTS = 3;

/** Table of buffers. When non-null, size is a power of 2. */
//核心数据结构
transient volatile Buffer @Nullable[] table;

/** Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating Buffers. */
transient volatile int tableBusy;

/** CASes the tableBusy field from 0 to 1 to acquire lock. */
final boolean casTableBusy() {
  return UnsafeAccess.UNSAFE.compareAndSwapInt(this, TABLE_BUSY, 0, 1);
}

/**
 * Returns the probe value for the current thread. Duplicated from ThreadLocalRandom because of
 * packaging restrictions.
 */
static final int getProbe() {
  return UnsafeAccess.UNSAFE.getInt(Thread.currentThread(), PROBE);
}

offer方法,当没初始化或存在竞争时,则扩容为 2 倍。最大为不小于 CPU核数的 2幂值。



    /**
     * The bound on the table size.
     */
    static final int MAXIMUM_TABLE_SIZE = 4 * ceilingPowerOfTwo(NCPU);


实际是调用RingBuffer的 offer 方法,把数据追加到RingBuffer后面。

@Override
public int offer(E e) {
  int mask;
  int result = 0;
  Buffer buffer;
  //是否不存在竞争
  boolean uncontended = true;
  Buffer[] buffers = table
  //是否已经初始化
  if ((buffers == null)
      || (mask = buffers.length - 1) < 0
      //用thread的随机值作为hash值,得到对应位置的RingBuffer
      || (buffer = buffers[getProbe() & mask]) == null
      //检查追加到RingBuffer是否成功
      || !(uncontended = ((result = buffer.offer(e)) != Buffer.FAILED))) {
    //其中一个符合条件则进行扩容
    expandOrRetry(e, uncontended);
  }
  return result;
}

/**
 * Handles cases of updates involving initialization, resizing, creating new Buffers, and/or
 * contention. See above for explanation. This method suffers the usual non-modularity problems of
 * optimistic retry code, relying on rechecked sets of reads.
 *
 * @param e the element to add
 * @param wasUncontended false if CAS failed before call
 */

//这个方法比较长,但思路还是相对清晰的。
@SuppressWarnings("PMD.ConfusingTernary")
final void expandOrRetry(E e, boolean wasUncontended) {
  int h;
  if ((h = getProbe()) == 0) {
    ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
    h = getProbe();
    wasUncontended = true;
  }
  boolean collide = false; // True if last slot nonempty
  for (int attempt = 0; attempt < ATTEMPTS; attempt++) {
    Buffer[] buffers;
    Buffer buffer;
    int n;
    if (((buffers = table) != null) && ((n = buffers.length) > 0)) {
      if ((buffer = buffers[(n - 1) & h]) == null) {
        if ((tableBusy == 0) && casTableBusy()) { // Try to attach new Buffer
          boolean created = false;
          try { // Recheck under lock
            Buffer[] rs;
            int mask, j;
            if (((rs = table) != null) && ((mask = rs.length) > 0)
                && (rs[j = (mask - 1) & h] == null)) {
              rs[j] = create(e);
              created = true;
            }
          } finally {
            tableBusy = 0;
          }
          if (created) {
            break;
          }
          continue; // Slot is now non-empty
        }
        collide = false;
      } else if (!wasUncontended) { // CAS already known to fail
        wasUncontended = true;      // Continue after rehash
      } else if (buffer.offer(e) != Buffer.FAILED) {
        break;
      } else if (n >= MAXIMUM_TABLE_SIZE || table != buffers) {
        collide = false; // At max size or stale
      } else if (!collide) {
        collide = true;
      } else if (tableBusy == 0 && casTableBusy()) {
        try {
          if (table == buffers) { // Expand table unless stale
            table = Arrays.copyOf(buffers, n << 1);
          }
        } finally {
          tableBusy = 0;
        }
        collide = false;
        continue; // Retry with expanded table
      }
      h = advanceProbe(h);
    } else if ((tableBusy == 0) && (table == buffers) && casTableBusy()) {
      boolean init = false;
      try { // Initialize table
        if (table == buffers) {
          @SuppressWarnings({"unchecked", "rawtypes"})
          Buffer[] rs = new Buffer[1];
          rs[0] = create(e);
          table = rs;
          init = true;
        }
      } finally {
        tableBusy = 0;
      }
      if (init) {
        break;
      }
    }
  }
}

环形队列

我们知道,队列伴随着生产和消费,而队列一般也是由数组或链表来实现的,

队列是一个先进先出的结构,那么随着游标在数组上向后移动,

前面已经消费了的数据已没有意义,但是他们依然占据着内存空间,浪费越来越大,

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第7张图片

所以:环形队列就很好的解决了这个问题。

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第8张图片

环形队列是在实际编程极为有用的数据结构,它采用数组的线性空间,数据组织简单,能很快知道队列是否满或空,能以很快速度的来存取数据。

从顺时针看,环形队列 有队头 head 和队尾 tail。

生产的流程是:

生产者顺时针向队尾 tail 插入元素,这会导致 head 位置不变,tail 位置在后移;

消费的流程是:

消费者则从队头 head 开始消费,这会导致 head 向后移动,而tail 位置不变,如果队列满了就不能写入。

环形队列的特点:

队头 head 和队尾 tail 的位置是不定的,位置一直在循环流动,空间就被重复利用起来了。

因为有简单高效的原因,甚至在硬件都实现了环形队列.。

环形队列广泛用于网络数据收发,和不同程序间数据交换(比如内核与应用程序大量交换数据,从硬件接收大量数据)均使用了环形队列。

环形队列的参考实现

下面的环形队列, 参考了 缓存之王 Caffeine 源码中的 命名

package com.crazymakercircle.queue;


public class SimpleRingBufferDemo {
    public static void main(String[] args) {

        //创建一个环形队列
        SimpleRingBuffer queue = new SimpleRingBuffer(4);
        queue.offer(11);
        queue.offer(12);
        queue.offer(13);
        System.out.println("queue = " + queue);
        int temp = queue.poll();
        System.out.println("temp = " + temp);
        System.out.println("queue = " + queue);
        temp = queue.poll();
        System.out.println("temp = " + temp);
        System.out.println("queue = " + queue);
        temp = queue.poll();
        System.out.println("temp = " + temp);
        System.out.println("queue = " + queue);
    }

}

class SimpleRingBuffer {
    private int maxSize;//表示数组的最大容量
    private int head;  // 模拟 缓存之王 Caffeine 源码命名
    //head就指向队列的第一个元素,也就是arr[head]就是队列的第一个元素
    //head的初始值=0
    private int tail; // 模拟 缓存之王 Caffeine 源码命名
    //tail指向队列的最后一个元素的后一个位置,因为希望空出一个空间做为约定
    //tail的初始化值=0
    private int[] buffer;//该数据用于存放数据

    public SimpleRingBuffer(int arrMaxSize) {
        maxSize = arrMaxSize;
        buffer = new int[maxSize];
    }

    //判断队列是否满
    public boolean isFull() {
        return (tail + 1) % maxSize == head;
    }

    //判断队列是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return tail == head;
    }

    //添加数据到队列
    public void offer(int n) {
        //判断队列是否满
        if (isFull()) {
            System.out.println("队列满,不能加入数据");
            return;
        }
        //直接将数据加入
        buffer[tail] = n;
        //将tail后移,这里必须考虑取模
        tail = (tail + 1) % maxSize;
    }

    //获取队列的数据,出队列
    public int poll() {
        //判断队列是否空
        if (isEmpty()) {
            //通过抛出异常
            throw new RuntimeException("队列空,不能取数据");
        }
        //这里需要分析出head是指向队列的第一个元素
        //1.先把head对应的值保留到一个临时变量
        //2.将head后移,考虑取模
        //3.将临时保存的变量返回
        int value = buffer[head];
        head = (head + 1) % maxSize;
        return value;
    }

    //求出当前队列有效数据的个数
    public int size() {
        return (tail + maxSize - head) % maxSize;
    }

    @Override
    public String toString() {
       return   String.format("head=%d , tail =%d\n",head,tail);

    }
}

测试的结果

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第9张图片

环形核心的结构和流程说明

  1. 约定head指向队列的第一个元素

    也就是说data[head]就是队头数据,head初始值为0。

  2. 约定tail指向队列的最后一个元素的后一个位置

    也就是说data[tail-1]就是队尾数据,tail初始值为0。

  3. 队列满的条件是:

    ( tail+1 )% maxSize == head

  4. 队列空的条件是:

    tail == head

  5. 队列中的元素个数为:

    ( tail + maxsize - head) % maxSize

  6. 有效数据只有maxSize-1个

    因为tail指向队尾的后面一个位置,这个位置就不能存数据,因此有效数据只有maxSize-1个

环形队列核心操作:判满

写入的时候,当前位置的下一位置是(tail+1)% maxSize

由图可知:

当head刚好指向tail的下一个位置时队列满,而tail的下一个位置是 (tail+1)% maxSize

所以当( tail + 1 )% maxSize == head 时,队列就满了。

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第10张图片

环形队列核心操作:判空

队列为空的情况如下图所示,当队头队尾都指向一个位置,即 head == tail 时,队列为空。

环形队列、 条带环形队列 Striped-RingBuffer (史上最全)_第11张图片

当head == tail时,队列为空

因为tail指向队尾的后面一个位置,这个位置就不能存数据,

因此, 环形队列的有效数据只有maxSize-1个

RingBuffer 源码

caffeine源码中, 注意RingBuffer是BoundedBuffer的内部类。

/** The maximum number of elements per buffer. */
static final int BUFFER_SIZE = 16;

// Assume 4-byte references and 64-byte cache line (16 elements per line)
//256长度,但是是以16为单位,所以最多存放16个元素
static final int SPACED_SIZE = BUFFER_SIZE << 4;
static final int SPACED_MASK = SPACED_SIZE - 1;
static final int OFFSET = 16;
//RingBuffer数组
final AtomicReferenceArray buffer;

 //插入方法
 @Override
 public int offer(E e) {
   long head = readCounter;
   long tail = relaxedWriteCounter();
   //用head和tail来限制个数
   long size = (tail - head);
   if (size >= SPACED_SIZE) {
     return Buffer.FULL;
   }
   //tail追加16
   if (casWriteCounter(tail, tail + OFFSET)) {
     //用tail“取余”得到下标
     int index = (int) (tail & SPACED_MASK);
     //用unsafe.putOrderedObject设值
     buffer.lazySet(index, e);
     return Buffer.SUCCESS;
   }
   //如果CAS失败则返回失败
   return Buffer.FAILED;
 }

 //用consumer来处理buffer的数据
 @Override
 public void drainTo(Consumer consumer) {
   long head = readCounter;
   long tail = relaxedWriteCounter();
   //判断数据多少
   long size = (tail - head);
   if (size == 0) {
     return;
   }
   do {
     int index = (int) (head & SPACED_MASK);
     E e = buffer.get(index);
     if (e == null) {
       // not published yet
       break;
     }
     buffer.lazySet(index, null);
     consumer.accept(e);
     //head也跟tail一样,每次递增16
     head += OFFSET;
   } while (head != tail);
   lazySetReadCounter(head);
 }

注意,ring buffer 的 size(固定是 16 个)是不变的,变的是 head 和 tail 而已。

Striped-RingBuffer 有如下特点:

总的来说 Striped-RingBuffer 有如下特点:

  • 使用 Striped-RingBuffer来提升对 buffer 的读写
  • 用 thread 的 hash 来避开热点 key 的竞争
  • 允许写入的丢失

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  • 《Springcloud 高并发 配置 (一文全懂)》

参考文献

  1. 疯狂创客圈 JAVA 高并发 总目录

    ThreadLocal(史上最全)
    https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/14491965.html

  2. 3000页《尼恩 Java 面试宝典 》的 35个面试专题 :
    https://www.cnblogs.com/crazymakercircle/p/13917138.html

  3. 价值10W的架构师知识图谱
    https://www.processon.com/view/link/60fb9421637689719d246739

4、尼恩 架构师哲学
https://www.processon.com/view/link/616f801963768961e9d9aec8

5、尼恩 3高架构知识宇宙
https://www.processon.com/view/link/635097d2e0b34d40be778ab4

Guava Cache主页:https://github.com/google/guava/wiki/CachesExplained

Caffeine的官网:https://github.com/ben-manes/caffeine/wiki/Benchmarks

https://gitee.com/jd-platform-opensource/hotkey

https://developer.aliyun.com/article/788271?utm_content=m_1000291945

https://b.alipay.com/page/account-manage-oc/approval/setList

Caffeine: https://github.com/ben-manes/caffeine

这里: https://albenw.github.io/posts/df42dc84/

Benchmarks: https://github.com/ben-manes/caffeine/wiki/Benchmarks

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