从构建分布式秒杀系统聊聊Disruptor高性能队列

前言

秒杀架构持续优化中，基于自身认知不足之处在所难免，也请大家指正，共同进步。文章标题来自码友的建议，希望可以把阻塞队列ArrayBlockingQueue这个队列替换成Disruptor，由于之前曾接触过这个东西，听说很不错，正好借此机会整合进来。

简介

LMAX Disruptor是一个高性能的线程间消息库。它源于LMAX对并发性，性能和非阻塞算法的研究，如今构成了Exchange基础架构的核心部分。

• Disruptor它是一个开源的并发框架，并获得2011 Duke’s 程序框架创新奖，能够在无锁的情况下实现网络的Queue并发操作。
• Disruptor是一个高性能的异步处理框架，或者可以认为是最快的消息框架（轻量的JMS），也可以认为是一个观察者模式的实现，或者事件监听模式的实现。

在这里你可以跟BlockingQueue队列作比对，简单的理解为它是一种高效的"生产者-消费者"模型，先了解后深入底层原理。

核心

写代码案例之前，大家最好先了解 Disruptor 的核心概念，至少知道它是如何运作的。

• Ring Buffer
  如其名，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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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）
• 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。
• 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)。
• 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。
• 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。

优点

• 剖析Disruptor:为什么会这么快？(一)锁的缺点
• 剖析Disruptor:为什么会这么快？(二)神奇的缓存行填充
• 剖析Disruptor:为什么会这么快？(三)伪共享
• 剖析Disruptor:为什么会这么快？(四)揭秘内存屏障

有兴趣的参考：
https://coolshell.cn/articles/9169.html

https://www.cnblogs.com/daoqidelv/p/6995888.html

使用案例

这里以我们系统中的秒杀作为案例，后面有相对复杂的场景介绍。

定义秒杀事件对象：

/**
 * 事件对象（秒杀事件）
 * 创建者 科帮网
 */
public class SeckillEvent implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private long seckillId;
    private long userId;
    
    public SeckillEvent(){
        
    }

    public long getSeckillId() {
        return seckillId;
    }

    public void setSeckillId(long seckillId) {
        this.seckillId = seckillId;
    }

    public long getUserId() {
        return userId;
    }

    public void setUserId(long userId) {
        this.userId = userId;
    }
}

为了让Disruptor为我们预先分配这些事件，我们需要一个将执行构造的EventFactory：

/**
 * 事件生成工厂（用来初始化预分配事件对象）
 * 创建者 科帮网
 */
public class SeckillEventFactory implements EventFactory<SeckillEvent> {

    public SeckillEvent newInstance() {
        return new SeckillEvent();
    }
}

然后，我们需要创建一个处理这些事件的消费者：

/**
 * 消费者(秒杀处理器)
 * 创建者 科帮网
 */
public class SeckillEventConsumer implements EventHandler<SeckillEvent> {
    //业务处理、这里是无法注入的，需要手动获取，见源码
    private ISeckillService seckillService = (ISeckillService) SpringUtil.getBean("seckillService");
    
    public void onEvent(SeckillEvent seckillEvent, long seq, boolean bool) throws Exception {
        seckillService.startSeckil(seckillEvent.getSeckillId(), seckillEvent.getUserId());
    }
}

既然有消费者，我们将需要这些秒杀事件的来源：

/**
 * 使用translator方式生产者
 * 创建者 科帮网
 */
public class SeckillEventProducer {
    
    private final static EventTranslatorVararg<SeckillEvent> translator = new EventTranslatorVararg<SeckillEvent>() {
        public void translateTo(SeckillEvent seckillEvent, long seq, Object... objs) {
            seckillEvent.setSeckillId((Long) objs[0]);
            seckillEvent.setUserId((Long) objs[1]);
        }
    };

    private final RingBuffer<SeckillEvent> ringBuffer;
    
    public SeckillEventProducer(RingBuffer<SeckillEvent> ringBuffer){
        this.ringBuffer = ringBuffer;
    }
    
    public void seckill(long seckillId, long userId){
        this.ringBuffer.publishEvent(translator, seckillId, userId);
    }
}

最后，我们来写一个测试类，运行一下(跑不通，需要修改消费者)：

/**
 * 測試類
 * 创建者 科帮网
 */
public class SeckillEventMain {

    public static void main(String[] args) {
        producerWithTranslator();
    }
    public static void producerWithTranslator(){
        SeckillEventFactory factory = new SeckillEventFactory();
        int ringBufferSize = 1024;
        ThreadFactory threadFactory = new ThreadFactory() {
            public Thread newThread(Runnable runnable) {
                return new Thread(runnable);
            }
        };
        //创建disruptor
        Disruptor<SeckillEvent> disruptor = new Disruptor<SeckillEvent>(factory, ringBufferSize, threadFactory);
        //连接消费事件方法
        disruptor.handleEventsWith(new SeckillEventConsumer());
        //启动
        disruptor.start();
        RingBuffer<SeckillEvent> ringBuffer = disruptor.getRingBuffer();
        SeckillEventProducer producer = new SeckillEventProducer(ringBuffer);
        for(long i = 0; i<10; i++){
            producer.seckill(i, i);
        }
        disruptor.shutdown();//关闭 disruptor，方法会堵塞，直至所有的事件都得到处理；
    }
}

使用场景

• PCP （生产者-消费者问题）
• 网上搜了下国内实战案例并不多，大厂可能有在使用

这里举一个大家日常的例子，停车场景。当汽车进入停车场时(A)，系统首先会记录汽车信息(B)。同时也会发送消息到其他系统处理相关业务(C)，最后发送短信通知车主收费开始(D)。

一个生产者A与三个消费者B、C、D，D的事件处理需要B与C先完成。则该模型结构如下：

在这个结构下，每个消费者拥有各自独立的事件序号Sequence，消费者之间不存在共享竞态。SequenceBarrier1监听RingBuffer的序号cursor，消费者B与C通过SequenceBarrier1等待可消费事件。SequenceBarrier2除了监听cursor，同时也监听B与C的序号Sequence，从而将最小的序号返回给消费者D，由此实现了D依赖B与C的逻辑。

代码案例：从0到1构建分布式秒杀系统

参考：
https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor/wiki

https://github.com/LMAX-Exchange/disruptor/wiki/Getting-Started

http://wiki.jikexueyuan.com/project/disruptor-getting-started/lmax-framework.html