一个比Disruptor吞吐量等性能指标更好的框架,使用Railway算法,将线程之间的消费发送参考现实生活中火车在站点之间搬运货物。
目标起始于一个简单的想法:创建一个开发人员友好的,简单的,轻量级线程间的通信框架,无需使用任何锁,同步器,信号量,等待,通知以及没有队列,消息,事件或任何其它并发特定的语法或工具。
只是一个Java接口接受到POJO以后在其背后实现这个通信,这个主意很类似Akka的Actors,但是它也许是有点矫枉过正,特别是对于单个多核计算机上线程间的通信优化必须是轻量的。
Akka的伟大之处是跨进程通信,特别是Actor是能够跨越不同JVM节点实现分布式通信。
无论如何,你可能觉得使用Akka在一个小型项目上有些过度,因为你只需要线程之间的通信,但是你还是想使用类似Actor这种做法模式。
该文章作者使用了动态代理 堵塞队列和一个缓存的线程池创建了这个解决方案,如图:
SPSC队列是一个Single Producer/Single Consumer 队列(单生产者/单消费者),而MPSC是一个Multi Producer/Single Consumer队列。
Dispatcher线程从Actor线程接受到消息,然后发送到相应的SPSC中。
Actor线程从接受的消息中使用数据,调用相应的actor类的方法,Actor实例都是发送消息给MPSC队列,然后再从Actor线程那里得到消息。
下面是ping-pong案例:
public interface PlayerA ( void pong(long ball); //send and forget method call } public interface PlayerB { void ping(PlayerA playerA, long ball); //send and forget method call } public class PlayerAImpl implements PlayerA { @Override @ublic void pong(long ball) { } } public class PlayerBImpl implements PlayerB { @Override public void ping(PlayerA playerA, long ball) { playerA.pong(ball); } } public class PingPongExample { public void testPingPong() { // this manager hides the complexity of inter-thread communications // and it takes control over actor proxies, actor implementations and threads ActorManager manager = new ActorManager(); // registers actor implementations inside the manager manager.registerImpl(PlayerAImpl.class); manager.registerImpl(PlayerBImpl.class); //Create actor proxies. Proxies convert method calls into internal messages //which would be sent between threads to a specific actor instance. PlayerA playerA = manager.createActor(PlayerA.class); PlayerB playerB = manager.createActor(PlayerB.class); for(int i = 0; i < 1000000; i++) { playerB.ping(playerA, i); } } |
这两个play能够每秒打500,000个乒乓。但是如果和单个线程执行速度相比,还是很差的,同样代码在单个线程可以到达每秒两百万个。
作者开始研究缓慢的原因,在一些校验和测试以后,他认为是Actors之间发送消息影响了整体性能:
作者找到一个SPSC单生产者和单消费者的无锁队列,http://www.infoq.com/presentations/Lock-Free-Algorithms
无锁队列提供比锁队列更好的性能。锁队列中在当一个线程获得锁,其他线程将被阻塞,直到该锁被释放的。在无锁算法的情况下,生产者线程可以产生消息,但不阻止其他生产者线程,以及其他消费者,而从队列中读取的消费者不会被阻塞。
这个无锁队列据测试结果是超过每秒100M ops,是JDK的并发队列实现的10倍。
但是作者使用这个无锁队列提到SPSC 以后,并没有产生明显性能提升,他立即意识到这个框架的性能瓶颈不是在SPSC,而是在多个生产者/单个消费者(MPSC)那里。
多个生产者如果使用SPSC会覆盖彼此的值,因为SPSC并没有一个对生产者的控制机制,即使最快的SPSC也不适合。
对于MPSC作者找到了LMAX的disruptor,一个通过Ringbuffer实现的高性能线程间通信库包。
使用Disruptor很容易实现非常低延迟,高吞吐量的线程间消息通信。它还提供了用例对生产者和消费者的不同组合。多个线程可以从环形缓冲区中读取而不会阻塞对方:
多生产者和多消费者:
三个生产者/一个消费者测试结果显示,Disruptor都是两倍于LinkedBlockingQueue 。
但是使用Disruptor后的这个框架性能还是没有达到预期,作者从上下班的地铁中得到灵感,在某个站点同一车厢出来的人是生产者,进去的是消费者。
建立一个Railway类,使用AtomicLong来跟踪地铁在站与站之间的传递,下面是一个single-train railway:
public class RailWay { private final Train train = new Train(); //站台号码stationNo 跟踪火车,定义哪个站点接受火车 private final AtomicInteger stationIndex = new AtomicInteger(); //多线程访问这个方法,也就是在特定站点等待火车 public Train waitTrainOnStation(final int stationNo) { while (stationIndex.get() % stationCount != stationNo) { Thread.yield(); // this is necessary to keep a high throughput of message passing. //But it eats CPU cycles while waiting for a train } // the busy loop returns only when the station number will match // stationIndex.get() % stationCount condition return train; } //这个方法通过增加火车站台号将火车移到下一个站点。 public void sendTrain() { stationIndex.getAndIncrement(); } } |
参考Disruptor,创建线程间传递long值:
public class Train { // public static int CAPACITY = 2*1024; private final long[] goodsArray; // array to transfer freight goods private int index; public Train() { goodsArray = new long[CAPACITY]; } public int goodsCount() { // returns the count of goods return index; } public void addGoods(long i) { // adds item to the train goodsArray[index++] = i; } public long getGoods(int i) { //removes the item from the train index--; return goodsArray[i]; } } |
如下图两个线程传递long:
使用一列火车实现单个生产者单个消费者:
public void testRailWay() { final Railway railway = new Railway(); final long n = 20000000000l; //starting a consumer thread new Thread() { long lastValue = 0; @Override public void run() { while (lastValue < n) { Train train = railway.waitTrainOnStation(1); //waits for the train at the station #1 int count = train.goodsCount(); for (int i = 0; i < count; i++) { lastValue = train.getGoods(i); // unload goods } railway.sendTrain(); //sends the current train to the first station. } } }.start(); final long start = System.nanoTime(); long i = 0; while (i < n) { Train train = railway.waitTrainOnStation(0); // waits for the train on the station #0 int capacity = train.getCapacity(); for (int j = 0; j < capacity; j++) { train.addGoods((int)i++); // adds goods to the train } railway.sendTrain(); if (i % 100000000 == 0) { //measures the performance per each 100M items final long duration = System.nanoTime() - start;| final long ops = (i * 1000L * 1000L * 1000L) / duration; System.out.format("ops/sec = %,d\n", ops); System.out.format("trains/sec = %,d\n", ops / Train.CAPACITY); System.out.format("latency nanos = %.3f%n\n", duration / (float)(i) * (float) Train.CAPACITY); } } } |
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