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disruptor笔记之七：等待策略

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内容：所有原创文章分类汇总及配套源码，涉及Java、Docker、Kubernetes、DevOPS等；

《disruptor笔记》系列链接

  1. 快速入门
  2. Disruptor类分析
  3. 环形队列的基础操作(不用Disruptor类)
  4. 事件消费知识点小结
  5. 事件消费实战
  6. 常见场景
  7. 等待策略
  8. 知识点补充(终篇)

本篇概览

本文是《disruptor笔记》的第七篇，咱们一起阅读源码，学习一个重要的知识点：等待策略，由于Disruptor的源码短小精干、简单易懂，因此本篇是个轻松愉快的源码学习之旅；

提前小结

如果您时间不充裕，可以通过以下提前小结的内容，对等待策略有个大体的认识：

  1. BlockingWaitStrategy：用了ReentrantLock的等待&&唤醒机制实现等待逻辑，是默认策略，比较节省CPU
  2. BusySpinWaitStrategy：持续自旋，JDK9之下慎用（最好别用）
  3. DummyWaitStrategy：返回的Sequence值为0，正常环境是用不上的
  4. LiteBlockingWaitStrategy：基于BlockingWaitStrategy，在没有锁竞争的时候会省去唤醒操作，但是作者说测试不充分，不建议使用
  5. TimeoutBlockingWaitStrategy：带超时的等待，超时后会执行业务指定的处理逻辑
  6. LiteTimeoutBlockingWaitStrategy：基于TimeoutBlockingWaitStrategy，在没有锁竞争的时候会省去唤醒操作
  7. SleepingWaitStrategy：三段式，第一阶段自旋，第二阶段执行Thread.yield交出CPU，第三阶段睡眠执行时间，反复的的睡眠
  8. YieldingWaitStrategy：二段式，第一阶段自旋，第二阶段执行Thread.yield交出CPU
  9. PhasedBackoffWaitStrategy：四段式，第一阶段自旋指定次数，第二阶段自旋指定时间，第三阶段执行Thread.yield交出CPU，第四阶段调用成员变量的waitFor方法，这个成员变量可以被设置为BlockingWaitStrategy、LiteBlockingWaitStrategy、SleepingWaitStrategy这三个中的一个

关于等待策略

  • 回顾一下前面的文章中实例化Disruptor的代码：
disruptor = new Disruptor<>(new OrderEventFactory(),
                BUFFER_SIZE,
                new CustomizableThreadFactory("event-handler-"));
  • 展开上述构造方法，会见到创建RingBuffer的代码，默认使用了BlockingWaitStrategy作为等待策略：
    public static <E> RingBuffer<E> createMultiProducer(EventFactory<E> factory, int bufferSize)
    {
        return createMultiProducer(factory, bufferSize, new BlockingWaitStrategy());
    }
  • 继续展开上面的createMultiProducer方法，可见每个Sequencer(注意不是Sequence)都有自己的watStrategy成员变量：

在这里插入图片描述

  • 这个waitStrategy的最终用途是创建SequenceBarrier的时候，传给SequenceBarrier做成员变量：

在这里插入图片描述

  • 在看看SequenceBarrier是如何使用waitStrategy的，一共两处用到，第一处如下图红框，原来是waitFor方法内部会用到，这个waitFor咱们前面已经了解过，对消费者来说，等待环形队列的指定位置有可用数据时，就是调用SequenceBarrier的waitFor完成的：

在这里插入图片描述

  • SequenceBarrier第二处用到waitStrategy是唤醒的时候：
    @Override
    public void alert()
    {
        alerted = true;
        waitStrategy.signalAllWhenBlocking();
    }
  • 现在咱们知道了WaitStrategy的使用场景，接下来看看这个接口有哪些具体实现吧，这样咱们在编程中就知道如何选择才最适合自己

BlockingWaitStrategy

  • 作为默认的等待策略，BlockingWaitStrategy还有个特点就是代码量小（不到百行），很容易理解，其实就是用ReentrantLock+Condition来实现等待和唤醒操作的，如下图红框：

在这里插入图片描述

  • 如果您更倾向于节省CPU资源，对高吞吐量和低延时的要求相对低一些，那么BlockingWaitStrategy就适合您了；

BusySpinWaitStrategy(慎用)

  • 前面的BlockingWaitStrategy有个特点，就是一旦环形队列指定位置来了数据，由于线程是等待状态(底层调用了native的UNSAFE.park方法)，因此还要唤醒后才能执行业务逻辑，在一些场景中希望数据一到就尽快消费，此时BusySpinWaitStrategy就很合适了，代码太简单，全部贴出：
public final class BusySpinWaitStrategy implements WaitStrategy
{
    @Override
    public long waitFor(
        final long sequence, Sequence cursor, final Sequence dependentSequence, final SequenceBarrier barrier)
        throws AlertException, InterruptedException
    {
        long availableSequence;

        while ((availableSequence = dependentSequence.get()) < sequence)
        {
            barrier.checkAlert();
            ThreadHints.onSpinWait();
        }

        return availableSequence;
    }

    @Override
    public void signalAllWhenBlocking()
    {
    }
}
  • 上述代码显示，整个while循环的关键就是ThreadHints.onSpinWait做了什么，源码如下，这里要格外注意，如果ON_SPIN_WAIT_METHOD_HANDLE为空，意味着外面的while循环是个非常消耗CPU的自旋：
    public static void onSpinWait()
    {
        if (null != ON_SPIN_WAIT_METHOD_HANDLE)
        {
            try
            {
                ON_SPIN_WAIT_METHOD_HANDLE.invokeExact();
            }
            catch (final Throwable ignore)
            {
            }
        }
    }
  • ON_SPIN_WAIT_METHOD_HANDLE为空是很可怕的事情，咱们来看看它是何方神圣？代码还是在ThreadHints.java中，如下所示，真相一目了然，它就是Thread类的onSpinWait方法，如果Thread类没有onSpinWait方法，那么使用BusySpinWaitStrategy作为等待策略就有很高的代价了，环形队列里没有数据时消费线程会执行自旋，很耗费CPU：
static
    {
        final MethodHandles.Lookup lookup = MethodHandles.lookup();

        MethodHandle methodHandle = null;
        try
        {
            methodHandle = lookup.findStatic(Thread.class, "onSpinWait", methodType(void.class));
        }
        catch (final Exception ignore)
        {
        }

        ON_SPIN_WAIT_METHOD_HANDLE = methodHandle;
    }

  • 好吧，还剩两个问题：Thread类有没有onSpinWait方法还不能确定吗？这个onSpinWait方法是何方神圣？

  • 去看JDK官方文档，如下图，原来这方法是从JDK9才有的，所以对于JDK8使用者来说来说，选用BusySpinWaitStrategy就意味着要面对没做啥事儿的while循环了：

在这里插入图片描述

  • 第二个问题，onSpinWait方法干了些啥？前面的官方文档，以欣宸的英语水平显然是无法理解的，去看stackoverflow吧，如下图，简单的说，就是告诉CPU当前线程处于循环查询的状态，CPU得知后就会调度更多CPU资源给其他线程：

在这里插入图片描述

  • 至此真像大白：环形队列的条件就绪后，BusySpinWaitStrategy策略是通过whlie死循环来做到快速响应的，如果JDK是9或者更高版本，这个死循环带来的CPU损耗由Thread.onSpinWait帮助缓解，如果JDK版本低于9，这里就是个简单的while死循环，至于这种死循环有多消耗CPU，您可以写段简单代码感受一下…

  • 难怪Disruptor源码中会提醒最好是将使用此实例的线程绑定到指定CPU核：

在这里插入图片描述

DummyWaitStrategy

固定返回0，个人觉得这个策略在正常开发中用不上，因为环形队列可用位置始终是0的话，不论是生产还是消费都难以实现：

在这里插入图片描述

LiteBlockingWaitStrategy

  • 看名字，LiteBlockingWaitStrategy是BlockingWaitStrategy策略的轻量级实现，在锁没有竞争的时候(例如独立消费的场景)，会省略掉唤醒操作，不过如下图红框所示，作者说他没有充分验证过正确性，因此建议只用于体验，太好了，这个策略我不学了！！！

在这里插入图片描述

TimeoutBlockingWaitStrategy

  • 顾名思义，TimeoutBlockingWaitStrategy表示只等待某段时长，超过了就算超时，其代码和BlockingWaitStrategy类似，只是等待的时候有个时长限制，如下图，一目了然：

在这里插入图片描述

  • 其实我对抛出异常后的处理很感兴趣，去看看吧，外面是熟悉的BatchEventProcessor类，熟悉的processEvents方法，如下图，每次超时异常都交给notifyTimeout处理，而外部的主流程不受影响，依旧不断的从环形队列中等待和获取数据：

在这里插入图片描述

  • 进入notifyTImeout方法，可见实际上是交给成员变量timeoutHandler去处理的，而且处理过程中发生的任何异常都会被捕获，不会抛出去影响外部调用：

在这里插入图片描述

  • 再来看看成员变量是哪来的，如下图，真相大白，咱们开发的EventHandler实现类，如果也实现了Timeouthandler，就被当做成员变量timeoutHandler了：

在这里插入图片描述

  • 至此TimeoutBlockingWaitStrategy也搞清楚了：用于有时间限制的场景，每次等待超时后都会调用业务定制的超时处理逻辑，这个逻辑写到EventHandler实现类中，这个实现类要实现Timeouthandler接口

LiteTimeoutBlockingWaitStrategy

  • LiteTimeoutBlockingWaitStrategy与TimeoutBlockingWaitStrategy的关系，就像BlockingWaitStrategy与LiteBlockingWaitStrategy的关系：作为TimeoutBlockingWaitStrategy的变体，有TimeoutBlockingWaitStrategy的超时处理特性，而且没有锁竞争的时候，省略掉唤醒操作；
  • 作者说LiteBlockingWaitStrategy可用于体验，但正确性并未经过充分验证，但是在LiteTimeoutBlockingWaitStrategy的注释中没有看到这种说法，看样子这是个靠谱的等待策略，可以用，用在有超时处理的需求，而且没有锁竞争的场景（例如独立消费）

SleepingWaitStrategy

  • 和前面几个不同的是，SleepingWaitStrategy没有用到锁，这意味这无需调用signalAllWhenBlocking方法做唤醒处理，相当于省去了生产线程的通知操作，官方源码注释有这么句话引起了我的兴趣，如下图红框，大意是该策略在性能和CPU资源消耗之间取得了平衡，接下来去看看关键代码，来了解这个特性：

在这里插入图片描述

  • 如下图，等到可用数据的过程是个死循环：

在这里插入图片描述

  • 接下来是关键代码了，如下图，可见整个等待过程分为三段：计数器高于100时就只有一个减一的操作（最快响应），计数器在100到0之间时每次都交出CPU执行时间（最省资源），其他时候就睡眠固定时间：

在这里插入图片描述

YieldingWaitStrategy

  • 看过SleepingWaitStrategy之后，再看YieldingWaitStrategy就很容易理解了，和SleepingWaitStrategy相比，YieldingWaitStrategy先做指定次数的自旋，然后不断的交出CPU时间：

在这里插入图片描述

  • 由于在不断的执行Thread.yield()方法，因此该策略虽然很消耗CPU，不过一旦其他线程有CPU需求，很容易从这个线程得到；

PhasedBackoffWaitStrategy

  • 最后是PhasedBackoffWaitStrategy，该策略的特点是将整个等待过程分成下图的四段，四个方块代表一个时间线上的四个阶段：

在这里插入图片描述

  • 这里说明一下上图的四个阶段：
  1. 首先是自旋指定的次数，默认10000次；
  2. 自旋过后，开始带计时的自旋，执行的时长是spinTimeoutNanos的值；
  3. 执行时长达到spinTimeoutNanos的值后，开始执行Thread.yield()交出CPU资源，这个逻辑的执行时长是yieldTimeoutNanos-spinTimeoutNanos；
  4. 执行时长达到yieldTimeoutNanos-spinTimeoutNanos的值后，开始调用fallbackStrategy.waitFor，这个调用没有时间或者次数限制；
  • 现在问题来了fallbackStrategy是何方神圣？PhasedBackoffWaitStrategy类准备了三个静态方法，咱们可以按需选用，让fallbackStrategy是BlockingWaitStrategy、LiteBlockingWaitStrategy、SleepingWaitStrategy这三个中的一个：
public static PhasedBackoffWaitStrategy withLock(
        long spinTimeout,
        long yieldTimeout,
        TimeUnit units)
    {
        return new PhasedBackoffWaitStrategy(
            spinTimeout, yieldTimeout,
            units, new BlockingWaitStrategy());
    }

public static PhasedBackoffWaitStrategy withLiteLock(
        long spinTimeout,
        long yieldTimeout,
        TimeUnit units)
    {
        return new PhasedBackoffWaitStrategy(
            spinTimeout, yieldTimeout,
            units, new LiteBlockingWaitStrategy());
    }

    public static PhasedBackoffWaitStrategy withSleep(
        long spinTimeout,
        long yieldTimeout,
        TimeUnit units)
    {
        return new PhasedBackoffWaitStrategy(
            spinTimeout, yieldTimeout,
            units, new SleepingWaitStrategy(0));
    }
  • 至此，Disruptor的九种等待策略就全部分析完毕了，除了选用等待策略的时候更加得心应手，还有个收获就是积攒了阅读优秀源码的经验，在读源码的路上更加有信心了；

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