Disruptor 源码阅读笔记

一、Disruptor 是什么?

Disruptor 是一个高性能异步处理框架,也可以认为是一个消息框架,它实现了观察者模式。

Disruptor 比传统的基于锁的消息框架的优势在于:它是无锁的、CPU友好;它不会清除缓存中的数据,只会覆盖,降低了垃圾回收机制启动的频率。

这个解读是在最新版 3.1.1 的源码上进行。

关于Disruptor的更多介绍可见: http://ifeve.com/disruptor/

二、Disruptor 为什么快

  • 不使用锁。通过内存屏障和原子性的CAS操作替换锁。

  • 缓存基于数组而不是链表,用位运算替代求模。缓存的长度总是2的n次方,这样可以用位运算 i & (length - 1) 替代 i % length

  • 去除伪共享。CPU的缓存一般是以缓存行为最小单位的,对应主存的一块相应大小的单元;当前的缓存行大小一般是64字节,每个缓存行一次只能被一个CPU核访问,如果一个缓存行被多个CPU核访问,就会造成竞争,导致某个核必须等其他核处理完了才能继续处理,响应性能。去除伪共享就是确保CPU核访问某个缓存行时不会出现争用。

  • 预分配缓存对象,通过更新缓存里对象的属性而不是删除对象来减少垃圾回收。

三、Disruptor 架构

核心类和接口

  • EventHandler:用户提供具体的实现,在里面实现事件的处理逻辑。
  • Sequence:代表事件序号或一个指向缓存某个位置的序号。
  • WaitStrategy:功能包括:当没有可消费的事件时,根据特定的实现进行等待,有可消费事件时返回可事件序号;有新事件发布时通知等待的 SequenceBarrier
  • Sequencer:生产者用于访问缓存的控制器,它持有消费者序号的引用;新事件发布后通过 WaitStrategy 通知正在等待的SequenceBarrier
  • SequenceBarrier:消费者关卡。消费者用于访问缓存的控制器,每个访问控制器还持有前置访问控制器的引用,用于维持正确的事件处理顺序;通过WaitStrategy获取可消费事件序号。
  • EventProcessor:事件处理器,是可执行单元,运行在指定的Executor里;它会不断地通过SequenceBarrier获取可消费事件,当有可消费事件时调用用户提供的 EventHandler实现处理事件。
  • EventTranslator:事件转换器,由于Disruptor只会覆盖缓存,需要通过此接口的实现来更新缓存里的事件来覆盖旧事件。
  • RingBuffer:基于数组的缓存实现,它内部持有对ExecutorWaitStrategy、生产者和消费者访问控制器的引用。
  • Disruptor:提供了对 RingBuffer 的封装,并提供了一些DSL风格的方法,方便使用。

每个事件处理器EventProcessor都持有一个表示它最后处理的事件的序号的Sequence,所以可以用Sequence来代表事件处理器;

下面是Disruptor里事件处理的一个示例图:
Disruptor2

四、实现

Sequence 类

Sequence类表示一个序号,是对long型字段的线程安全的封装,用于跟踪ringBuffer的进度和事件处理器的进度。

支持一些并发操作,包括CAS和有序写。

尝试在volatile字段周围填充内容来避免伪共享,变得更高效。

实现

public class Sequence {
    static final long INITIAL_VALUE = -1L;
    private static final Unsafe UNSAFE;
    private static final long VALUE_OFFSET;

    static {
        UNSAFE = Util.getUnsafe();
        final int base = UNSAFE.arrayBaseOffset( long[].class );
        final int scale = UNSAFE.arrayIndexScale( long[].class );
        VALUE_OFFSET = base + (scale * 7);
    }

    // 15个元素,从0开始,有效值处于第7个,这样前后各有7个long字段填充,
    // 8个long型占共用64字节,而当前CPU的缓存行大小也是64字节,这样可以避免对Sequence的读写出现伪共享。
    private final long [] paddedValue = new long [15];

    // 原子地读
    public long get() {
        return UNSAFE .getLongVolatile(paddedValue, VALUE_OFFSET);
    }

    // 原子地写
    public void set(final long value) {
        UNSAFE.putOrderedLong(paddedValue , VALUE_OFFSET, value);
    }

    // CAS
    public boolean compareAndSet(final long expectedValue, final long newValue) {
        return UNSAFE .compareAndSwapLong(paddedValue, VALUE_OFFSET, expectedValue, newValue);
    }

    public long addAndGet(final long increment) {
        long currentValue;
        long newValue;

        do {
            currentValue = get();
            newValue = currentValue + increment;
        } while (!compareAndSet(currentValue, newValue));

        return newValue;
    }

        // 还有其他一些方法,都是借助 sun.misc.Unsafe 类来实现的。

伪共享

关于伪共享可参考:

Disruptor类

Disruptor类是这个类库的门面,用DSL的形式直观地提供了组装事件回调处理的关系链的功能,并提供获取事件、发布事件的方法,缓存容器生命周期管理。

属性

private final RingBuffer ringBuffer ; // 核心,绝大多数功能都委托给ringBuffer处理
private final Executor executor ;        // 用于执行事件处理器的线程池
private final ConsumerRepository consumerRepository = new ConsumerRepository();   // 事件处理器仓库,就是事件处理器的集合
private final AtomicBoolean started = new AtomicBoolean( false);     // 启动时检查,只能启动一次
private ExceptionHandler exceptionHandler;  // 异常处理器

设置EventHandler事件处理器

/*
 * barrierSequences是eventHandlers的前置事件处理关卡,是用来保证事件处理的时序性的关键;
 * */
EventHandlerGroup createEventProcessors( final Sequence[] barrierSequences,
                                           final EventHandler[] eventHandlers) {
    checkNotStarted();  // 确保在容器启动前设置

    final Sequence[] processorSequences = new Sequence[eventHandlers.length ];   // 存放游标的数组
    final SequenceBarrier barrier = ringBuffer.newBarrier(barrierSequences);    // 获取前置的序号关卡

    for ( int i = 0, eventHandlersLength = eventHandlers.length; i < eventHandlersLength; i++) {
        final EventHandler eventHandler = eventHandlers[i];

        // 封装为批量事件处理器BatchEventProcessor,其实现了Runnable接口,所以可以放到executor去执行处理逻辑;处理器还会自动建立一个序号Sequence。
        final BatchEventProcessor batchEventProcessor = new BatchEventProcessor(ringBuffer , barrier, eventHandler);

        if (exceptionHandler != null) { // 如果有则设置异常处理器
            batchEventProcessor.setExceptionHandler( exceptionHandler);
        }

        // 添加到消费者仓库,会先封装为EventProcessorInfo对象(表示事件处理的一个阶段),
        consumerRepository.add(batchEventProcessor, eventHandler, barrier);
        processorSequences[i] = batchEventProcessor.getSequence();
    }

    if (processorSequences. length > 0) {// 如果有前置关卡,则取消之前的前置关卡对应的EventProcessor 的 链的终点标记。
        consumerRepository.unMarkEventProcessorsAsEndOfChain(barrierSequences);
    }

    // EventHandlerGroup是一组EventProcessor,作为disruptor的一部分,提供DSL形式的方法,作为方法链的起点,用于设置事件处理器。
    return new EventHandlerGroup(this, consumerRepository, processorSequences);
}

这里要注意的是,EventHandler只能在启动前添加。

从代码来看,EventHandler是用户提供的,单纯的的事件处理逻辑的实现,在被添加到消费者仓库之前,它会被封装为一个EventProcessor对象。

RingBuffer 类

属性

首先来看下RingBuffer类的属性:

//  属性的初始化声明
    public static final long INITIAL_CURSOR_VALUE = Sequence.INITIAL_VALUE ;
    private final int indexMask ;
    private final Object[] entries ;
    private final int bufferSize ;
    private final Sequencer sequencer ;


//  属性的初始化代码
    RingBuffer(EventFactory eventFactory,
               Sequencer       sequencer) {
        this.sequencer     = sequencer;
        this.bufferSize    = sequencer.getBufferSize();

        if (bufferSize < 1) {
            throw new IllegalArgumentException("bufferSize must not be less than 1");
        }
        if (Integer.bitCount( bufferSize) != 1) {
            throw new IllegalArgumentException("bufferSize must be a power of 2");
        }

        this.indexMask = bufferSize - 1;
        this.entries    = new Object[sequencer.getBufferSize()];
        fill(eventFactory);
    }

上这些代码可以看出:

  1. RingBuffer是基于数组构建的,因为数组是缓存友好的,相邻的元素一般处于同一个缓存块。

  2. 缓存的大小必须是2的X次方,这是为了用位运算提高性能;由于数组缓存的容量总是有限,当缓存填满后,又要从 下标0 开始填充,如果缓存大小不是2的X次方,那只能用求模运算来获得新下标,所以还有个indexMask 来保存下标掩码;通过与indexMask 进行按位与可以得到一个安全的下标,不再需要进行下标检查,如:(E)entries[( int)sequence & indexMask ]

从缓存获取事件

// 从缓存获取指定序号的事件
public E get(long sequence) {
    // 这个按位与操作说明了为什么ringBuffer的大小必须是2的n次方:用高效的 按位与  代替  低效的求模操作。
    return (E) entries[(int ) sequence & indexMask];
}

发布事件

发布事件有3步:获取新事件的序号,覆盖旧事件,通知等待着。最简单的发布事件形式:

public void publishEvent(EventTranslator translator) {
    final long sequence = sequencer .next(); // 通过生产者序号控制器获取可用序号
    translateAndPublish(translator, sequence);  // 转换事件到队列缓存并发布事件
}

private void translateAndPublish(EventTranslator translator, long sequence) {
    try {
        // 发布事件前要先获取对应位置上的旧事件,再用translator把新事件的属性转换到旧事件的属性,从而达到发布的目的。
        // 这就是说,Disruptor对于已消费的事件是不删除的,有新事件时只是用新事件的属性去替换旧事件的属性。
        // 这带来的一个问题就是内存占用
        translator.translateTo(get(sequence), sequence);
    } finally {
        sequencer.publish(sequence);     // 原子性地更新生产者的序号,并通知在等待的消费者关卡。
    }
}

需要注意的是,生产者序号控制器与消费者关卡是共用同一个等待策略的,一个Disruptor容器只有一个等待策略实例。

EventProcessor

事件处理器的执行单元。有两个实现:NoOpEventProcessorBatchEventProcessor,其中 NoOpEventProcessor 是不处理事件的,就不关注了。

BatchEventProcessor

Disruptor提供的唯一有用的 EventProcessor 实现类。

Disruptor容器启动时,会调用 ConsumerInfostart方法,如果 ConsumerInfo 封装的是用户提交的 EventHandler 实例,那么会在线程池里运行 EventProcessor,也就是 BatchEventProcessor 实例的 run 方法。

核心run方法

该方法的文档说明提到调用 halt 方法后是可以重新执行这个方法的。

public void run() {
    // 确保一次只有一个线程执行此方法,这样访问自身的序号就不要加锁
    if (! running.compareAndSet(false, true)) {
        throw new IllegalStateException("Thread is already running");
    }
    sequenceBarrier.clearAlert();   // 清除前置序号关卡的通知状态

    notifyStart();  // 声明周期通知,开始前回调

    T event = null;
    long nextSequence = sequence.get() + 1L;    // sequence指向上一个已处理的事件,默认是-1.
    try {
        while (true ) {
            try {
                // 从它的前置序号关卡获取下一个可处理的事件序号。
                // 如果这个事件处理器不依赖于其他的事件处理器,则前置关卡就是生产者序号;
                // 如果这个事件处理器依赖于1个或多个事件处理器,那么这个前置关卡就是这些前置事件处理器中最慢的一个。
                // 通过这样,可以确保事件处理器不会超前处理地事件。
                final long availableSequence = sequenceBarrier.waitFor(nextSequence);

                // 处理一批事件
                while (nextSequence <= availableSequence) {
                    event = dataProvider.get(nextSequence);
                    eventHandler.onEvent(event, nextSequence, nextSequence == availableSequence);
                    nextSequence++;
                }

                // 设置它自己最后处理的事件序号,这样依赖于它的处理器可以它处理刚处理过的事件。
                sequence.set(availableSequence);
            } catch (final TimeoutException e) {
                // 获取事件序号超时处理
                notifyTimeout( sequence.get());

            } catch (final AlertException ex) {
                // 处理通知事件;检测是否要停止,如果非则继续处理事件
                if (!running .get()) {
                    break;
                }
            } catch (final Throwable ex) {
                // 其他异常,用事件处理器处理;然后继续处理下一个事件
                exceptionHandler.handleEventException(ex, nextSequence, event);
                sequence.set(nextSequence);
                nextSequence++;
            }
        }
    } finally {
        // 声明周期通知,停止事件回调;复位运行状态标志,确保可以再次运行此方法。
        notifyShutdown();
        running.set(false );
    }
}

while 循环可以看出,事件处理可以分为三步:

  1. SequenceBarrier 获取获取可以处理的最大事件序号;
  2. 循环处理可处理事件;
  3. 更新自身的已处理的事件序号,让依赖自身的事件处理器可以继续处理。

sequence .setsequence .get 方法都是原子性地读取、更新序号的,这样就避免了加锁,从而提供性能。
sequenceBarrier .waitFor 最终也会调用 sequence .get 方法。

SequenceBarrier

协作式关卡,用于跟踪生产者游标和依赖的事件处理器的序号的数据结构。有两个实现 DummySequenceBarrierProcessingSequenceBarrier,类如其名,前者是虚拟的,只有空方法;后者是实用的。

SequenceBarrier接口定义

public interface SequenceBarrier {
          // 等待指定的序号变得可消费
     long waitFor(long sequence) throws AlertException, InterruptedException, TimeoutException;

          // 返回当前可读的游标(一个序号)
     long getCursor();

         // 当前是否有通知状态给此关卡
     boolean isAlerted();

     // 通知事件处理器状态发生改变,并保持这个状态直到被清除
     void alert();

     // 清除当前通知状态
     void clearAlert();

     // 检查通知状态,如果有异常则抛出
     void checkAlert() throws AlertException;

ProcessingSequenceBarrier

生成

ProcessingSequenceBarrier的实例是由框架控制的。

首先在Disruptor类的createEventProcessors方法内:
final SequenceBarrier barrier = ringBuffer.newBarrier(barrierSequences);    // 获取前置的序号关卡

RingBufferd 的newBarrier方法:
public SequenceBarrier newBarrier(Sequence... sequencesToTrack) {
    return sequencer.newBarrier(sequencesToTrack);     // 是通过生产者序号控制器生成的。
}

AbstractSequencer的newBarrier方法。
public SequenceBarrier newBarrier(Sequence... sequencesToTrack) {
    return new ProcessingSequenceBarrier(this, waitStrategy, cursor, sequencesToTrack);
}
构造函数
/**
 * @param sequencer 生产者序号控制器
 * @param waitStrategy 等待策略
 * @param cursorSequence 生产者序号
 * @param dependentSequences 依赖的Sequence
 */
public ProcessingSequenceBarrier(final Sequencer sequencer, final WaitStrategy waitStrategy,
                                 final Sequence cursorSequence, final Sequence[] dependentSequences) {
    this. sequencer = sequencer;
    this. waitStrategy = waitStrategy;
    this. cursorSequence = cursorSequence;

    // 如果事件处理器不依赖于任何前置处理器,那么dependentSequence也指向生产者的序号。
    if (0 == dependentSequences. length) {
        dependentSequence = cursorSequence;
    } else {     // 如果有多个前置处理器,则对其进行封装,实现了组合模式。
        dependentSequence = new FixedSequenceGroup(dependentSequences);
    }
}
获取序号的方法
/**
 * 该方法不保证总是返回未处理的序号;如果有更多的可处理序号时,返回的序号也可能是超过指定序号的。
 */
public long waitFor(final long sequence) throws AlertException, InterruptedException, TimeoutException {
    // 首先检查有无通知
    checkAlert();

    // 通过等待策略来获取可处理事件序号,
    long availableSequence = waitStrategy.waitFor(sequence, cursorSequence, dependentSequence , this);

    // 这个方法不保证总是返回可处理的序号
        return availableSequence;
    if (availableSequence < sequence) {
    }

    // 再通过生产者序号控制器返回最大的可处理序号
    return sequencer.getHighestPublishedSequence(sequence, availableSequence);
}

WaitStrategy

WaitStrategy定义了一个EventProcessor在Sequence没有可消费事件时的等待策略。

接口定义

public interface WaitStrategy {
    /**
          * 如果事件处理器不依赖于任何前置处理器,那么cursor与dependentSequence都将指向生产者的序号。
          * 
     * sequence:要获取的序号
     * cursor:指向了生产者的Sequence
     * dependentSequence:调用者依赖的前置关卡
     * barrier:调用者自身,通过调用barrier.checkAlert可以及时响应通知
     */
    long waitFor( long sequence, Sequence cursor, Sequence dependentSequence, SequenceBarrier barrier)
        throws AlertException, InterruptedException, TimeoutException;

     // 当游标前进的时候(有可处理的事件)通知EventProcessor
    void signalAllWhenBlocking();
}

实现

BlockingWaitStrategy:没有可消费事件时阻塞等待生产者唤醒。

BusySpinWaitStrategy:忙等策略。

PhasedBackoffWaitStrategy:

TimeoutBlockingWaitStrategy:

YieldingWaitStrategy:通过调用Thread.yield方法来让出CPU,达到等待的目的,等待时长没保证,取决于线程的调度系统。

小结

通过缓冲行填充和适当的封装,Disruptor提供了一个CPU友好、线程安全的序号表示。

通过每个消费者持有自己的事件序号,没有相互依赖的消费者可以并行地处理事件。在消费者之间引入消费者关卡,轻易地实现了消费者之间的前后依赖关系。

对于生产者,即使有多个线程同时访问,由于他们都通过序号器Sequencer访问ringBuffer,Disruptor框架通过CAS取代了加锁和同步块,这也是并发编程的一个指导原则:把同步块最小化到一个变量上。

通过原子读写序号、CAS操作消除了对锁的使用,提高了性能。

Distuptor的一个缺点是内存占用:因为它不清除旧事件数据。

Disruptor 源码阅读笔记》上有4条评论

    1. coderbee 文章作者

      不清除旧事件数据会导致这些数据仍然存在强引用,有强引用就不能GC,也就导致内存不能释放。

      这样做的目的是为了减少垃圾回收,算是以空间换时间的权衡吧。

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        1. coderbee 文章作者

          Disruptor 作为一个队列,也是容器,容器就应该把被删除的元素从容器里移除,防止内存泄漏。这是实现上的严谨性,是保证任何情况都有正确内存回收行为的必要条件。

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