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Java并发编程框架Disruptor

时间:2017-03-13  来源:未知  作者:linuxsir首页

Disruptor是什么?


Disruptor是一个高性能的异步处理框架,一个轻量级的JMS,和JDK中的BlockingQueue有相似处,但是它的处理速度非常快,获得2011年程序框架创新大奖,号称“一个线程一秒钟可以处理600W个订单”(这有点吓人吧),并且Disruptor不仅仅只有buffer,它提供的功能非常强大,比如它可以帮助我们轻松构建数据流处理(比如一个数据先交给A和B这2个消费者并行处理后在交给C处理,是不是有点想起storm这种流处理,实际上strom的底层就是应用了disruptor来实现worker内部threads的通信)。本文将使用disruptor最新版3.3.6进行介绍,可以在https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor/releases 下载最新的JAR包开始disruptor之旅吧。

轮胎:RingBuffer

RingBuffer,环形缓冲区,在disruptor中扮演着非常重要的角色,理解RingBuffer的结构有利于我们理解disruptor为什么这么快、无锁的实现方式、生产者/消费者模式的实现细节。如下图所示:

数组

这个类似于轮胎的东西实际上就是一个数组,使用数组的好处当然是由于预加载的缘故使得访问比链表要快的多。

序号

RingBuffer中元素拥有序号的概念,并且序号是一直增长的,这怎么理解?比如RingBuffer大小为10,那么序号从0开始增长,当到9的时候,相当于转了一圈,如果继续增长的话,那么将覆盖0号元素。也即是说通过 序号%SIZE 来定位元素,实现set/get操作。这里也发现了和队列不同的一个方式,就是不存在元素的删除操作,只有覆盖而已,实际上RingBuffer的这种特别的环形存储方式,使得不需要花费大量的时间用于内存清理/垃圾回收。

由于涉及到取模操作,为了CPU进行位运算更加高效,RingBuffer的大小应该是2的N次方。

无锁的机制

在生产者/消费者模式下,disruptor号称“无锁并行框架”(要知道BlockingQueue是利用了Lock锁机制来实现的),这是怎么做到的呢?下面我们来具体分析下:

一个生产者 + 一个消费者

生产者维护一个生产指针P,消费者维护一个消费者指针C,当然P和C本质上就是序号。2者各操作各的,不需要锁,仅仅需要注意的是生产者和消费者的速度问题,当然这个在disruptor内部已经为我们做了处理,就是判断一下P和C之间不能超过一圈的大小。

一个生产者 + 多个消费者

多个消费者当然持有多个消费指针C1,C2,...,消费者依据C进行各自读取数据,只需要保证生产者的速度“协调”最慢的消费者的速度,就是那个不能超出一圈的概念。此时也不需要进行锁定。

多个生产者 + N个消费者

很显然,无论生产者有几个,生产者指针P只能存在一个,否则数据就乱套了。那么多个生产者之间共享一个P指针,在disruptor中实际上是利用了CAS机制来保证多线程的数据安全,也没有使用到锁。

Disruptor初体验:简单的生产者和消费者

业务数据对象POJO(Event)

public class Order {
 
    //订单ID
    private long id;
 
    //订单信息
    private String info;
 
    //订单价格
    private double price;
 
    public long getId() {
        return id;
    }
 
    public void setId(long id) {
        this.id = id;
    }
 
    public String getInfo() {
        return info;
    }
 
    public void setInfo(String info) {
        this.info = info;
    }
 
    public double getPrice() {
        return price;
    }
 
    public void setPrice(double price) {
        this.price = price;
    }
}

业务数据工厂(Factory)

public class OrderFactory implements EventFactory{
 
    @Override
    public Object newInstance() {
 
        System.out.println("OrderFactory.newInstance");
        return new Order();
    }
 
}

事件处理器(Handler,即消费者处理逻辑)

public class OrderHandler implements EventHandler<Order>{
 
    @Override
    public void onEvent(Order order, long l, boolean b) throws Exception {
 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消费者处理中:" + l);
        order.setInfo("info" + order.getId());
        order.setPrice(Math.random());
    }
 
}

Main

public class Main {
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
        //创建订单工厂
        OrderFactory orderFactory = new OrderFactory();
 
        //ringbuffer的大小
        int RINGBUFFER_SIZE = 1024;
 
        //创建disruptor
        Disruptor<Order> disruptor = new Disruptor<Order>(orderFactory,RINGBUFFER_SIZE,Executors.defaultThreadFactory());
 
        //设置事件处理器 即消费者
        disruptor.handleEventsWith(new OrderHandler());
 
        disruptor.start();
 
        RingBuffer<Order> ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();
 
        //-------------生产数据
        for(int i = 0 ; i < 3 ; i++){
 
            long sequence = ringBuffer.next();
 
            Order order = ringBuffer.get(sequence);
 
            order.setId(i);
 
            ringBuffer.publish(sequence);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产者发布一条数据:" + sequence + " 订单ID:" + i);
        }
 
        Thread.sleep(1000);
 
        disruptor.shutdown();
    }
 
}

运行结果:

说明:

其实上面的结果已经很明显的说明了,在初始阶段构造Disruptor的时候,会调用工厂Factory去实例化RingBuffer中的Event数据对象。

另外在构造Disruptor的时候,在3.3.6之前使用的是API:

到了3.3.6这些API都不推荐使用了,即不再推荐传入Executor这样的线程池,而是推荐传入ThreadFactory线程工厂。这样的话,关闭disruptor就会自动关闭Executor线程池,而不需要像以前那样必须在关闭disruptor的时候再关闭线程池了。

构造Disruptor时,需要注意ProducerType(SINGLE or MULTI 指示是单个生产者还是多个生产者模式)、WaitStrategy(策略选择,决定了消费者如何等待生产者)。

单独使用RingBuffer:WorkerPool

如果场景比较简单,我们完全可以不用创建Disruptor,而是仅仅使用RingBuffer功能。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
    ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
    RingBuffer<Order> ringBuffer = RingBuffer.create(ProducerType.SINGLE,new OrderFactory(),1024,new YieldingWaitStrategy());
    WorkerPool<Order> workerPool = new WorkerPool<Order>(ringBuffer,ringBuffer.newBarrier(),new IgnoreExceptionHandler(),new OrderHandler());
 
    workerPool.start(executor);
 
    //-------------生产数据
    for(int i = 0 ; i < 30 ; i++){
 
        long sequence = ringBuffer.next();
 
        Order order = ringBuffer.get(sequence);
        order.setId(i);
 
        ringBuffer.publish(sequence);
 
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产者发布一条数据:" + sequence + " 订单ID:" + i);
    }
 
    Thread.sleep(1000);
   
    workerPool.halt();
    executor.shutdown();
 
}

实际上是利用WorkerPool辅助连接消费者。

一个生产者+多个消费者

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 
    //创建订单工厂
    OrderFactory orderFactory = new OrderFactory();
 
    //ringbuffer的大小
    int RINGBUFFER_SIZE = 1024;
 
    //创建disruptor
    Disruptor<Order> disruptor = new Disruptor<Order>(orderFactory,RINGBUFFER_SIZE,Executors.defaultThreadFactory());
 
    //设置事件处理器 即消费者
    EventHandlerGroup<Order> eventHandlerGroup = disruptor.handleEventsWith(new OrderHandler(),new OrderHandler2());
    eventHandlerGroup.then(new OrderHandler3());
    disruptor.start();
 
    RingBuffer<Order> ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();
 
    //-------------生产数据
    for(int i = 0 ; i < 3 ; i++){
 
        long sequence = ringBuffer.next();
 
        Order order = ringBuffer.get(sequence);
 
        order.setId(i);
 
        ringBuffer.publish(sequence);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产者发布一条数据:" + sequence + " 订单ID:" + i);
    }
 
    Thread.sleep(1000);
    disruptor.shutdown();
}

运行结果:

生产者生产了3条消息,一个消费者线程1消费了这3条数据,另一个消???者线程2也消费了这3条数据,2者是并行的,待消费者线程1和2完毕后,3条数据交给消费者线程3处理。

如果我们想顺序的按照A->B->C呢?

        disruptor.handleEventsWith(new Handler1()).
            handleEventsWith(new Handler2()).
            handleEventsWith(new Handler3());

如果我们想六边形操作呢?

        Handler1 h1 = new Handler1();
        Handler2 h2 = new Handler2();
        Handler3 h3 = new Handler3();
        Handler4 h4 = new Handler4();
        Handler5 h5 = new Handler5();
        disruptor.handleEventsWith(h1, h2);
        disruptor.after(h1).handleEventsWith(h4);
        disruptor.after(h2).handleEventsWith(h5);
        disruptor.after(h4, h5).handleEventsWith(h3);

到这里相信你对Disruptor已经有所了解了,那么多个生产者多个消费者如何实现呢,其实和上面的代码非常类似,无非是多个生产者都持有RingBuffer可以publish而已。

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