高性能消息队列之Disruptor

高性能消息队列之Disruptor

一.Disruptor介绍

1.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。可以认为是线程间通信的高效低延时的内存消息组件，它最大的特点是高性能。与 Kafka、RabbitMQ 用于服务间的消息队列不同，Disruptor 一般用于一个 JVM 中多个线程间消息的传递。

2.Disruptor是一个开源的Java框架，它被设计用于在生产者—消费者（producer-consumer problem，简称PCP）问题上获得尽量高的吞吐量（TPS）和尽量低的延迟。

3.从功能上来看，Disruptor 实现了“队列”的功能，而且是一个有界队列（事实上它是一个无锁的线程间通信库），那么它的应用场景自然就是“生产者-消费者”模型的应用场合了。作用与 ArrayBlockingQueue 有相似之处，但是 Disruptor 从功能、性能上又都远好于ArrayBlockingQueue，Disruptor 的性能比 BlockingQueue 提高了 5~10 倍左右。

实际上这个框架在 log4j，以及 activeMQ 源码扩展中都有使用。(例如：由于采用了 Disruptor，Log4j 2 性能明显优于 Log4j 1.x，Logback 和 java.util.logging，尤其是在多线程应用程序中，异步记录器的吞吐量比 Log4j 1.x 和 Logback 高 18 倍，延迟低。)

4.Disruptor是LMAX在线交易平台的关键组成部分，LMAX平台使用该框架对订单处理速度能达到600万TPS，除金融领域之外，其他一般的应用中都可以用到Disruptor，它可以带来显著的性能提升。

5.其实Disruptor与其说是一个框架，不如说是一种设计思路，这个设计思路对于存在“并发、缓冲区、生产者—消费者模型、事务处理”这些元素的程序来说，Disruptor提出了一种大幅提升性能（TPS）的方案。

6.Disruptor的github主页：https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor

二.Disruptor 的核心概念

1.Ring Buffer

Ring Buffer是一个环形的缓冲区，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。

2.Sequence 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。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。（注：这是 Disruptor 实现高性能的关键点之一，网上关于伪共享问题的介绍已经汗牛充栋，在此不再赘述）。

3.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。

4.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。

5.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）

6.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。

7.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)。

8.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。

9.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。

三.Disruptor 性能高效的原因

1.环形数组结构
为了避免垃圾回收，Disruptor 的 RingBuffer 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。

2.快速的元素位置定位策略
由于 RingBuffer 是环状队列结构，在初始化时需要指定大小（即这个环最多可以容纳多少槽）。而 Disruptor 规定了 RingBuffer 大小必须是 2 的 n 次方，这样通过位运算，可以加快定位的速度。同时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
在需要确保操作是线程安全的地方，Disruptor 并不使用用锁，而是使用 CAS（Compare And Swap/Set）操作。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。

四.DisruptorDemo

1.添加pom.xml依赖

<!-- SpringBoot Web -->
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    <exclusions>
        <exclusion>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-tomcat</artifactId>
        </exclusion>
    </exclusions>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-undertow</artifactId>
</dependency>
<!-- Disruptor -->
<dependency>
    <groupId>com.lmax</groupId>
    <artifactId>disruptor</artifactId>
    <version>3.4.2</version>
</dependency>

2.消息体MessageModel

package com.handsome.disruptor;

/**
 * @ClassName MessageModel
 * @Author Handsome
 * @Date 2022/12/28 14:36
 * @Description 消息体
 */
@SuppressWarnings("all")
public class MessageModel {
    private String message;

    public String getMessage() {
        return message;
    }

    public void setMessage(String message) {
        this.message = message;
    }
}

3.构造MessageEventFactory

package com.handsome.disruptor;

import com.lmax.disruptor.EventFactory;

/**
 * @ClassName MessageEventFactory
 * @Author Handsome
 * @Date 2022/12/28 14:37
 * @Description 事件工厂
 */
@SuppressWarnings("all")
public class MessageEventFactory implements EventFactory<MessageModel> {
    @Override
    public MessageModel newInstance() {
        return new MessageModel();
    }
}

4.构造EventHandler-消费者

package com.handsome.disruptor;

import com.lmax.disruptor.EventHandler;

/**
 * @ClassName MessageConsumer
 * @Author Handsome
 * @Date 2022/12/28 14:39
 * @Description 消费者
 */
@SuppressWarnings("all")
public class MessageConsumer implements EventHandler<MessageModel> {
    /**
     * 消费消息
     *
     * @param messageModel 消息对象
     * @param sequence     消息的条数 从 0 递增到 2 的 63 次方减 1
     * @param endOfBatch   是否被认为是批处理结束
     */
    @Override
    public void onEvent(MessageModel messageModel, long sequence, boolean endOfBatch) {
        try {
            if (messageModel != null) {
                System.out.println("====================");
                System.out.println("消费者消费的对象：" + messageModel);
                System.out.println("消费的信息：" + messageModel.getMessage());
                System.out.println("参数sequence：" + sequence);
                System.out.println("参数endOfBatch：" + endOfBatch);
                System.out.println("====================");
            }
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("消费者处理消息失败!!!");
        }
    }
}

5.构造DisruptorManager

package com.handsome.disruptor;

import com.lmax.disruptor.BlockingWaitStrategy;
import com.lmax.disruptor.RingBuffer;
import com.lmax.disruptor.dsl.Disruptor;
import com.lmax.disruptor.dsl.ProducerType;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;

package com.handsome.disruptor;

import com.lmax.disruptor.BlockingWaitStrategy;
import com.lmax.disruptor.RingBuffer;
import com.lmax.disruptor.dsl.Disruptor;
import com.lmax.disruptor.dsl.ProducerType;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadFactory;

/**
 * @ClassName DisruptorManager
 * @Author Handsome
 * @Date 2022/12/28 14:44
 * @Description 定义RingBuffer
 */
@SuppressWarnings("all")
@Configuration
public class DisruptorManager {
    @Bean
    public RingBuffer<MessageModel> messageModelRingBuffer() {
        // 定义用于事件处理的线程池
        ThreadFactory executor = Executors.defaultThreadFactory();
        // 指定事件工厂
        MessageEventFactory factory = new MessageEventFactory();
        // 指定ringbuffer字节大小，必须为2的N次方（能将求模运算转为位运算提高效率），否则将影响效率，生产环境建议使用 1024*1024
        int bufferSize = 1024;
        // 单生产者模式，当多个生产者时可以用ProducerType.MULTI
        Disruptor<MessageModel> disruptor = new Disruptor<>(
                factory,
                bufferSize,
                executor,
                ProducerType.SINGLE,
                new BlockingWaitStrategy());
        // 设置事件业务处理器---消费者
        disruptor.handleEventsWith(new MessageConsumer());
        // 启动disruptor线程
        disruptor.start();
        // 获取 ringbuffer 环，用于接取生产者生产的事件
        RingBuffer<MessageModel> ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();
        return ringBuffer;
    }
}

6.构造MessageProducer-生产者

package com.handsome.disruptor;

import com.lmax.disruptor.RingBuffer;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;

/**
 * @ClassName MessageProducer
 * @Author Handsome
 * @Date 2022/12/28 14:51
 * @Description 生产者
 */
@SuppressWarnings("all")
@Component
public class MessageProducer {
    @Autowired
    private RingBuffer<MessageModel> messageModelRingBuffer;

    /**
     * 向RingBuffer发送数据
     *
     * @param message 数据信息
     * @return 返回是否发送成功
     * true表示发送成功 false表示发送失败
     */
    public boolean send(String message) {
        // 获取下一个Event槽的下标
        long sequence = messageModelRingBuffer.next();
        try {
            // 给Event填充数据
            MessageModel event = messageModelRingBuffer.get(sequence);
            event.setMessage(message);
            System.out.println("====================");
            System.out.println("往消息队列中添加消息对象：" + event);
            System.out.println("往消息队列中添加消息数据：" + event.getMessage());
            System.out.println("====================");
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("消息添加失败原因：" + e.getMessage());
            return false;
        } finally {
            // 发布Event，激活消费者去消费，将sequence传递给消费者
            // 注意最后的publish方法必须放在finally中以确保必须得到调用；如果某个请求的sequence未被提交将会堵塞后续的发布操作或者其他的producer
            messageModelRingBuffer.publish(sequence);
            return true;
        }
    }
}

7.构造测试类及方法

package com.handsome.controller;

import com.handsome.disruptor.MessageProducer;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.PathVariable;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

/**
 * @ClassName DisruptorController
 * @Author Handsome
 * @Date 2022/12/28 14:31
 * @Description Disruptor测试类
 */
@SuppressWarnings("all")
@RestController
public class DisruptorController {
    @Autowired
    private MessageProducer messageProducer;

    /**
     * 测试 Disruptor 发送消息
     *
     * @param message 消息数据
     * @return
     */
    @GetMapping(value = "/disruptor/{message}")
    public boolean test(@PathVariable String message) {
        return messageProducer.send(message);
    }
}

8.测试结果

• 在浏览器请求
  http://localhost:8080/disruptor/handsome
  http://localhost:8080/disruptor/识时务者
• 控制台打印结果

====================
往消息队列中添加消息对象：com.handsome.disruptor.MessageModel@593a09
往消息队列中添加消息数据：handsome
====================
====================
消费者消费的对象：com.handsome.disruptor.MessageModel@593a09
消费的信息：handsome
参数sequence：0
参数endOfBatch：true
====================
====================
往消息队列中添加消息对象：com.handsome.disruptor.MessageModel@18ac50ba
往消息队列中添加消息数据：识时务者
====================
====================
消费者消费的对象：com.handsome.disruptor.MessageModel@18ac50ba
消费的信息：识时务者
参数sequence：1
参数endOfBatch：true
====================

五.总结

其实 生产者 --> 消费者 模式是很常见的，通过一些消息队列也可以轻松做到上述的效果。不同的地方在于，Disruptor 是在内存中以队列的方式去实现的，而且是无锁的，这也是 Disruptor 为什么这么高效的原因。