高性能隊列disruptor為什么這么快？

背景

Disruptor是LMAX開發的一個高性能隊列，研發的初衷是解決內存隊列的延遲問題（在性能測試中發現竟然與I/O操作處於同樣的數量級）。基於Disruptor開發的系統單線程能支撐每秒600萬訂單，2010年在QCon演講后，獲得了業界關注。2011年，企業應用軟件專家Martin Fowler專門撰寫長文介紹。同年它還獲得了Oracle官方的Duke大獎。

目前，包括Apache Storm、Camel、Log4j2在內的很多知名項目都應用了Disruptor以獲取高性能。

我們先知道disruptor是干什么的，然后筆者帶你們源碼搞一波，再來看看在log4j2中的運用。

一、Disruptor是什么？

可以這樣總結，Disruptor是LMAX開源的、用於替代並發線程間數據交換的環形隊列的、基本無鎖的（只有部分等待策略存在）、高性能的線程間通訊框架。

Disruptor唯一可能遇到Java鎖的時候，就是在消費者等待可用事件進行消費時。而Disruptor為這個等待過程，編寫了包括使用鎖和不使用鎖的多種策略，可根據不同場景和需求進行選擇。

開源：https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor

二、Disruptor為什么這么快

1、環形隊列RingBuffer

一個環形隊列，意味着首尾相連，對列可以循環使用，使用數組來保存。環形隊列在JVM生命周期中通常是永生的，GC的壓力更小。

 

我們來解釋一下這個圖：當前有一個consumer，停留在位置12，這時producer假設在位置3，這時producer的下一步是如何處理的呢？producer會嘗試讀取4，發現下一個可以獲取，所以可以安全獲取，並且通知一個阻塞的consumer起來活動。如此一直到下一圈11都是安全的（這里我們假設生產者比較快），當producer嘗試訪問12時發現不能繼續，於是自旋等待；當consumer消費時，會調用barrier的waitFor方法，waitFor看到前面最近的安全節點已經到了下一圈的11，於是consumer可以無鎖的去消費當前12到下一圈11所有數據，可以想象，這種方式比起synchronized要快上很多倍。

2、棄用鎖機制使用CAS

在高度競爭的情況下，鎖的性能將超過原子變量的性能，但是更真實的競爭情況下，原子變量的性能將超過鎖的性能。同時原子變量不會有死鎖等活躍性問題。能不用鎖，就不使用鎖，如果使用，也要將鎖的粒度最小化。

唯一使用鎖的就是消費者的等待策略實現類中，下圖。補充一句，生產者的等到策略就是LockSupport.parkNanos(1)，再自旋判斷。

 

名稱	措施	適用場景
BlockingWaitStrategy	加鎖	CPU資源緊缺，吞吐量和延遲並不重要的場景
BusySpinWaitStrategy	自旋	通過不斷重試，減少切換線程導致的系統調用，而降低延遲。推薦在線程綁定到固定的CPU的場景下使用
PhasedBackoffWaitStrategy	自旋 + yield + 自定義策略	CPU資源緊缺，吞吐量和延遲並不重要的場景
SleepingWaitStrategy	自旋 + yield + sleep	性能和CPU資源之間有很好的折中。延遲不均勻
TimeoutBlockingWaitStrategy	加鎖，有超時限制	CPU資源緊缺，吞吐量和延遲並不重要的場景
YieldingWaitStrategy	自旋 + yield + 自旋	性能和CPU資源之間有很好的折中。延遲比較均勻

3、解決偽共享，采用緩存行填充

從上圖看到，線程1在CPU核心1上讀寫變量X，同時線程2在CPU核心2上讀寫變量Y，不幸的是變量X和變量Y在同一個緩存行上，每一個線程為了對緩存行進行讀寫，都要競爭並獲得緩存行的讀寫權限，如果線程2在CPU核心2上獲得了對緩存行進行讀寫的權限，那么線程1必須刷新它的緩存后才能在核心1上獲得讀寫權限，這導致這個緩存行在不同的線程間多次通過L3緩存來交換最新的拷貝數據，這極大的影響了多核心CPU的性能。

下面代碼解決偽共享問題的，就是實例變量前后各加7個long形變量，用空間換時間。

abstract class SingleProducerSequencerPad extends AbstractSequencer
{
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;

    SingleProducerSequencerPad(int bufferSize, WaitStrategy waitStrategy)
    {
        super(bufferSize, waitStrategy);
    }
}

public final class SingleProducerSequencer extends SingleProducerSequencerFields
{
    protected long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    //..省略
}

Java中通過填充緩存行，來解決偽共享問題的思路，現在可能已經是老生常談，連Java8中都新增了sun.misc.Contended注解來避免偽共享問題。但在Disruptor剛出道那會兒，用緩存行來優化Java數據結構，這恐怕還很新潮。

4、還有一些細節性的

1）通過sequence & (bufferSize - 1)定位元素的index比普通的求余取模（%）要快得多。sequence >>> indexShift 快速計算出sequence/bufferSize的商flag（其實相當於當前sequence在環形跑道上跑了幾圈，在數據生產時要設置好flag。

2）合理使用Unsafe，CPU級別指令。實現更加高效地內存管理和原子訪問。

至於一些更細節的，下面源碼搞起來，還是很簡單的。

源碼分析：Disruptor源碼解讀

參考:

https://tech.meituan.com/disruptor.html

https://www.jianshu.com/p/c3c108c3dcfd