JAVA高性能有界内存队列－Disruptor 简介及使用示例

1.Disruptor简介      

        Disruptor是一个高性能的有界内存队列，它在 Apache Storm、Camel、Log4j 2 等很多知名项目中都有广泛应用。之所以如此受青睐，主要还是因为它的性能表现非常优秀。它比 Java 中另外一个非常常用的内存消息队列 ArrayBlockingQueue（ABS）的性能，要高一个数量级，可以算得上是最快的内存消息队列了。它还因此获得过 Oracle 官方的 Duke 大奖。

Disruptor 是如何做到如此高性能的？

• 使用 RingBuffer 数据结构，数组元素在初始化时一次性全部创建，提升缓存命中率；对象循环利用，避免频繁 GC。此外根据Index进行环形定位并非简单取模，而是使用位运算，效率更高，定位更快。
• 前后56字节（7个long）缓存行填充的手法，使得每个变量独占一个缓存行，避免伪共享，提升CPU缓存利用率。
• 采用CAS无锁算法，避免频繁加锁、解锁的性能消耗。

伪共享

由于共享缓存行导致缓存无效的场景。

• 伪共享和 CPU 内部的 Cache 有关，Cache 内部是按照缓存行（Cache Line）管理的，缓存行的大小通常是 64 个字节。CPU 的缓存就利用了程序的局部性原理：时间局部性（指的是程序中的某条指令一旦被执行，不久之后这条指令很可能再次被执行；如果某条数据被访问，不久之后这条数据很可能再次被访问。）、空间局部性（指某块内存一旦被访问，不久之后这块内存附近的内存也很可能被访问）。
• 为了更好地利用缓存，我们必须避免伪共享，解决手法为：前后56字节（7个long）缓存行填充。

CAS

比较并交换（CompareAndSwap）,本质上是无锁，不过也称之为自旋锁或者自旋。

2.使用简单示例

• 生产者生产的对象（也就是消费者消费的对象）称为 Event，使用 Disruptor 必须自定义 Event。
• 构建 Disruptor 对象除了要指定队列大小外，还需要传入一个 EventFactory。
• 消费 Disruptor 中的 Event 需要通过 handleEventsWith() 方法注册一个事件处理器，发布 Event 则需要通过 publishEvent() 或publish()方法。

import com.lmax.disruptor.*;
import com.lmax.disruptor.dsl.Disruptor;
import com.lmax.disruptor.dsl.ProducerType;

import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 单生产者单消费者示例
 */
public class SimpleTest {
    public static void main(String[] args) {
        Executor executor = Executors.newCachedThreadPool();
        LongEventFactory longEventFactory = new LongEventFactory();
        int bufferSize = 256;
        Disruptor disruptor = new Disruptor(longEventFactory, bufferSize, executor, ProducerType.SINGLE, new BlockingWaitStrategy());
        disruptor.handleEventsWith(new LongEventHandler());
        disruptor.start();

        RingBuffer ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();
        for (int x = 0; x < 256; x++) {
            long sequence = ringBuffer.next();
            try {
                LongEvent event = ringBuffer.get(sequence);
                event.setValue(x);
            } finally {
                ringBuffer.publish(sequence);
            }
        }
    }

    static class LongEvent {
        private long value;

        public long getValue() {
            return value;
        }

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

    static class LongEventFactory implements EventFactory {
        @Override
        public LongEvent newInstance() {
            return new LongEvent();
        }
    }

    static class LongEventHandler implements EventHandler {
        @Override
        public void onEvent(LongEvent longEvent, long sequence, boolean endOfBatch) throws Exception {
            System.out.println("Event：" + longEvent.getValue() + ", sequence: " + sequence);
        }
    }
}

import com.lmax.disruptor.*;
import com.lmax.disruptor.dsl.Disruptor;
import com.lmax.disruptor.dsl.ProducerType;

import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 多生产者多消费者示例
 */
public class MultiTest {
    public static void main(String[] args) {
        Disruptor disruptor = new Disruptor(
                new LongEventFactory(),
                getRingBufferSize(500),
                Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors()),
                ProducerType.MULTI, // ProducerType.SINGLE  单生产者； ProducerType.MULTI   多生产者
                // BlockingWaitStrategy：最低效的策略，但对CPU的消耗最小；
                // SleepingWaitStrategy：与BlockingWaitStrategy类似，合用于异步日志类似的场景；
                // YieldingWaitStrategy 性能最好，要求事件处理线数小于 CPU 逻辑核心数
                new YieldingWaitStrategy());
        disruptor.handleEventsWithWorkerPool(new LongEventHandler[]{new LongEventHandler("c1"), new LongEventHandler("c2")});
        RingBuffer ringBuffer = disruptor.start();

        //生产者1
        new Thread(() -> {
            publish(ringBuffer, 0, 10);
        }).start();

        // 生产者2
        new Thread(() -> {
            publish(ringBuffer, 10, 20);
        }).start();
    }

    private static void publish(RingBuffer ringBuffer, int start, int end) {
        for (int x = start; x < end; x++) {
            long sequence = ringBuffer.next();
            try {
                LongEvent event = ringBuffer.get(sequence);
                event.setValue(x);
            } finally {
                ringBuffer.publish(sequence);
            }
        }
    }

    private static int getRingBufferSize(int num) {
        int s = 2;
        while (s < num) {
            s <<= 1;
        }
        return s;
    }

    static class LongEvent {
        private long value;

        public long getValue() {
            return value;
        }

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

    static class LongEventFactory implements EventFactory {
        @Override
        public LongEvent newInstance() {
            return new LongEvent();
        }
    }

    static class LongEventHandler implements EventHandler, WorkHandler {
        private String consumerId;
        public LongEventHandler(String consumerId){
            this.consumerId = consumerId;
        }

        @Override
        public void onEvent(LongEvent longEvent, long sequence, boolean endOfBatch) throws Exception {
            System.out.println("Event：" + longEvent.getValue() + ", sequence: " + sequence);
        }

        @Override
        public void onEvent(LongEvent longEvent) throws Exception {
            System.out.println(this.consumerId + " consume：" + longEvent.getValue());
        }
    }
}