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Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer

简介: 原文地址:http://mechanitis.blogspot.com/2011/07/dissecting-disruptor-writing-to-ring.html​ 作者是 Trisha Gee, LMAX 公司的一位女工程师。
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原文地址:http://mechanitis.blogspot.com/2011/07/dissecting-disruptor-writing-to-ring.html​ 作者是 Trisha Gee, LMAX 公司的一位女工程师。
 
这是 Disruptor 全方位解析(end-to-end view)中缺少的一章。当心,本文非常长。但是为了让你能连在一起联系上下文的阅读,我还是决定把它们写进一篇博客里。
 
本文的 重点 是:不要让 Ring 重叠;如何通知消费者;生产者一端的批处理;以及多个生产者如何协同工作。
 
ProducerBarriers

Disruptor 代码​ 给 消费者 提供了一些接口和辅助类,但是没有给写入 Ring Buffer 的 生产者 提供接口。这是因为除了你需要知道生产者之外,没有别人需要访问它。尽管如此,Ring Buffer 还是与消费端一样提供了一个 ProducerBarrier 对象,让生产者通过它来写入 Ring Buffer。
 
写入 Ring Buffer 的过程涉及到两阶段提交 (two-phase commit)。首先,你的生产者需要申请 buffer 里的下一个节点。然后,当生产者结束向节点写入数据,它需要调用 ProducerBarrier 的 commit 方法。
 
那么让我们首先来看看第一步。它听起来容易 -“给我 Ring Buffer 里的下一个节点”。很好,从生产者角度来看它很简单:简单地调用 ProducerBarrier 的 nextEntry() 方法,这样会返回给你一个 Entry 对象,这个对象就是 Ring Buffer 的下一个节点。

ProducerBarrier 如何防止 Ring Buffer 重叠

在后台,由 ProducerBarrier 负责所有的交互细节来从 Ring Buffer 中找到下一个节点,然后才允许生产者向它写入数据。 
 
Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer
(我不确定 闪闪发亮的新手写板​ 能否有助于提高我画的图片清晰度,但是它用起来很有意思)。
 
在这幅图中,我们假设只有一个生产者写入 Ring Buffer。过一会儿我们再处理多个生产者的复杂问题。

ConsumerTrackingProducerBarrier 对象拥有所有正在访问 Ring Buffer 的 消费者 列表。这看起来有点儿奇怪-我从没有期望 ProducerBarrier 了解任何有关消费端那边的事情。但是等等,这是有原因的。因为我们不想与队列“混为一谈”(队列需要追踪队列的头和尾,它们有时候会指向相同的位置),Disruptor 由消费者负责通知它们处理到了哪个序列号,而不是 Ring Buffer。所以,如果我们想确定我们没有让 Ring Buffer 重叠,需要检查所有的消费者们都读到了哪里。

在上图中,有一个 消费者 顺利的读到了最大序号 12(用红色/粉色高亮)。第二个消费者 有点儿落后——可能它在做 I/O 操作之类的——它停在序号 3。因此消费者 2 在赶上消费者 1 之前要跑完整个 Ring Buffer 一圈的距离。

现在生产者想要写入 Ring Buffer 中序号 3 占据的节点,因为它是 Ring Buffer 当前游标的下一个节点。但是 ProducerBarrier 明白现在不能写入,因为有一个消费者正在占用它。所以,ProducerBarrier 停下来自旋 (spins),等待,直到那个消费者离开。
 
申请下一个节点

现在可以想像消费者 2 已经处理完了一批节点,并且向前移动了它的序号。可能它挪到了序号 9(因为消费端的批处理方式,现实中我会预期它到达 12,但那样的话这个例子就不够有趣了)。
 
Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer
上图显示了当消费者 2 挪动到序号 9 时发生的情况。在这张图中我已经忽略了ConsumerBarrier,因为它没有参与这个场景。

ProducerBarier 会看到下一个节点——序号 3 那个已经可以用了。它会抢占这个节点上的 Entry(我还没有特别介绍 Entry 对象,基本上它是一个放写入到某个序号的 Ring Buffer 数据的桶),把下一个序号(13)更新成 Entry 的序号,然后把 Entry 返回给生产者。生产者可以接着往 Entry 里写入数据。
 
提交新的数据

两阶段提交的第二步是——对,提交。
 
Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer
绿色表示最近写入的 Entry,序号是 13 ——厄,抱歉,我也是红绿色盲。但是其他颜色甚至更糟糕。
 
当生产者结束向 Entry 写入数据后,它会要求 ProducerBarrier 提交。

ProducerBarrier 先等待 Ring Buffer 的游标追上当前的位置(对于单生产者这毫无意义-比如,我们已经知道游标到了 12 ,而且没有其他人正在写入 Ring Buffer)。然后 ProducerBarrier 更新 Ring Buffer 的游标到刚才写入的 Entry 序号-在我们这儿是 13。接下来,ProducerBarrier 会让消费者知道 buffer 中有新东西了。它戳一下 ConsumerBarrier 上的 WaitStrategy 对象说-“喂,醒醒!有事情发生了!”(注意-不同的 WaitStrategy 实现以不同的方式来实现提醒,取决于它是否采用阻塞模式。)

现在消费者 1 可以读 Entry 13 的数据,消费者 2 可以读 Entry 13 以及前面的所有数据,然后它们都过得很 happy。

ProducerBarrier 上的批处理

有趣的是 Disruptor 可以同时在生产者和 消费者​ 两端实现批处理。还记得伴随着程序运行,消费者 2 最后达到了序号 9 吗?ProducerBarrier 可以在这里做一件很狡猾的事-它知道 Ring Buffer 的大小,也知道最慢的消费者位置。因此它能够发现当前有哪些节点是可用的。
 
Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer
 
如果 ProducerBarrier 知道 Ring Buffer 的游标指向 12,而最慢的消费者在 9 的位置,它就可以让生产者写入节点 3,4,5,6,7 和 8,中间不需要再次检查消费者的位置。
 
多个生产者的场景

到这里你也许会以为我讲完了,但其实还有一些细节。

在上面的图中我稍微撒了个谎。我暗示了 ProducerBarrier 拿到的序号直接来自 Ring Buffer 的游标。然而,如果你看过代码的话,你会发现它是通过 ClaimStrategy 获取的。我省略这个对象是为了简化示意图,在单个生产者的情况下它不是很重要。

在多个生产者的场景下,你还需要其他东西来追踪序号。这个序号是指当前可写入的序号。注意这和“向 Ring Buffer 的游标加 1”不一样-如果你有一个以上的生产者同时在向 Ring Buffer 写入,就有可能出现某些 Entry 正在被生产者写入但还没有提交的情况。
 
Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer
 
让我们复习一下如何申请写入节点。每个生产者都向 ClaimStrategy 申请下一个可用的节点。生产者 1 拿到序号 13,这和上面单个生产者的情况一样。生产者 2 拿到序号 14,尽管 Ring Buffer的当前游标仅仅指向 12。这是因为 ClaimSequence 不但负责分发序号,而且负责跟踪哪些序号已经被分配。

现在每个生产者都拥有自己的写入节点和一个崭新的序号。

我把生产者 1 和它的写入节点涂上绿色,把生产者 2 和它的写入节点涂上可疑的粉色-看起来像紫色。
 
Disruptor 全解析(3):写入 Ring Buffer
 
现在假设生产者 1 还生活在童话里,因为某些原因没有来得及提交数据。生产者 2 已经准备好提交了,并且向 ProducerBarrier 发出了请求。

就像我们先前在 commit 示意图中看到的一样,ProducerBarrier 只有在 Ring Buffer 游标到达准备提交的节点的前一个节点时它才会提交。在当前情况下,游标必须先到达序号 13 我们才能提交节点 14 的数据。但是我们不能这样做,因为生产者 1 正盯着一些闪闪发光的东西,还没来得及提交。因此 ClaimStrategy 就停在那儿自旋 (spins), 直到 Bing Buffer 游标到达它应该在的位置。
 
 
 
现在生产者 1 从迷糊中清醒过来并且申请提交节点 13 的数据(生产者 1 发出的绿色箭头代表这个请求)。ProducerBarrier 让 ClaimStrategy 先等待 Ring Buffer 的游标到达序号 12,当然现在已经到了。因此 Ring Buffer 移动游标到 13,让 ProducerBarrier 戳一下 WaitStrategy 告诉所有人都知道 Ring Buffer 有更新了。现在 ProducerBarrier 可以完成生产者 2 的请求,让 Bing Buffer 移动游标到 14,并且通知所有人都知道。
 
你会看到,尽管生产者在不同的时间完成数据写入,但是 Ring Buffer 的内容顺序总是会遵循 nextEntry() 的初始调用顺序。也就是说,如果一个生产者在写入 Bing Buffer 的时候暂停了,只有当它解除暂停后,其他等待中的提交才会立即执行。
 
呼——。我终于设法讲完了这一切的内容并且一次也没有提到内存屏障(Memory Barrier)。

更新:最近的 RingBuffer​ 版本去掉了 Producer Barrier。如果在你看的代码里找不到 ProducerBarrier,那就假设当我讲“Producer Barrier”时,我的意思是“Ring Buffer”。
 
更新2:注意 Disruptor 2.0 版使用了与本文不一样的命名。如果你对类名感到困惑,请阅读我的 变更总结​。

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长源
2010 年加入阿里中间件,专注于 TDDL/DRDS 产品研发。负责过多个大型项目的分布式数据库设计, 对分布式场景的事务处理及复杂查询优化具有丰富经验。
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