剖析Disruptor为什么会这么快(3):揭秘内存屏障

最近我博客文章更新有点慢,因为我在忙着写一篇介绍内存屏障(Memory Barries)以及如何将其应用于Disruptor的文章。问题是,无论我翻阅了多少资料,向耐心的MartinMike请教了多少遍,以试图理清一些知识点,可我总是不能直观地抓到重点。大概是因为我不具备深厚的背景知识来帮助我透彻理解。

所以,与其像个傻瓜一样试图去解释一些自己都没完全弄懂的东西,还不如在抽象和大量简化的层次上,把我在该领域所掌握的知识分享给大家 。Martin已经写了一篇文章《going into memory barriers》介绍内存屏障的一些具体细节,所以我就略过不说了。

免责声明:文章中如有错误全由本人负责,与Disruptor的实现和LMAX里真正懂这些知识的大牛们无关。

主题是什么?

我写这个系列的博客主要目的是解析Disruptor是如何工作的,并深入了解下为什么这样工作。理论上,我应该从可能准备使用disruptor的开发人员的角度来写,以便在代码和技术论文[Disruptor-1.0.pdf]之间搭建一座桥梁。这篇文章提及到了内存屏障,我想弄清楚它们到底是什么,以及它们是如何应用于实践中的。

什么是内存屏障?

它是一个CPU指令。没错,又一次,我们在讨论CPU级别的东西,以便获得我们想要的性能(Martin著名的Mechanical Sympathy理论)。基本上,它是这样一条指令: a)确保一些特定操作执行的顺序; b)影响一些数据的可见性(可能是某些指令执行后的结果)。

编译器和CPU可以在保证输出结果一样的情况下对指令重排序,使性能得到优化。插入一个内存屏障,相当于告诉CPU和编译器先于这个命令的必须先执行,后于这个命令的必须后执行。正如去拉斯维加斯旅途中各个站点的先后顺序在你心中都一清二楚。

 

内存屏障另一个作用是强制更新一次不同CPU的缓存。例如,一个写屏障会把这个屏障前写入的数据刷新到缓存,这样任何试图读取该数据的线程将得到最新值,而不用考虑到底是被哪个cpu核心或者哪颗CPU执行的。

和Java有什么关系?

现在我知道你在想什么——这不是汇编程序。它是Java。

这里有个神奇咒语叫volatile(我觉得这个词在Java规范中从未被解释清楚)。如果你的字段是volatile,Java内存模型将在写操作后插入一个写屏障指令,在读操作前插入一个读屏障指令。

 

这意味着如果你对一个volatile字段进行写操作,你必须知道:

1、一旦你完成写入,任何访问这个字段的线程将会得到最新的值。

2、在你写入前,会保证所有之前发生的事已经发生,并且任何更新过的数据值也是可见的,因为内存屏障会把之前的写入值都刷新到缓存。

举个例子呗!

很高兴你这样说了。又是时候让我来画几个甜甜圈了。

RingBuffer的指针(cursor)(译注:指向队尾元素)属于一个神奇的volatile变量,同时也是我们能够不用锁操作就能实现Disruptor的原因之一。

 

生产者将会取得下一个Entry(或者是一批),并可对它(们)作任意改动, 把它(们)更新为任何想要的值。如你所知,在所有改动都完成后,生产者对ring buffer调用commit方法来更新序列号(译注:把cursor更新为该Entry的序列号)。对volatile字段(cursor)的写操作创建了一个内存屏障,这个屏障将刷新所有缓存里的值(或者至少相应地使得缓存失效)。

这时候,消费者们能获得最新的序列号码(8),并且因为内存屏障保证了它之前执行的指令的顺序,消费者们可以确信生产者对7号Entry所作的改动已经可用。

那么消费者那边会发生什么?

消费者中的序列号是volatile类型的,会被若干个外部对象读取——其他的下游消费者可能在跟踪这个消费者。ProducerBarrier/RingBuffer(取决于你看的是旧的还是新的代码)跟踪它以确保环没有出现重叠(wrap)的情况(译注:为了防止下游的消费者和上游的消费者对同一个Entry竞争消费,导致在环形队列中互相覆盖数据,下游消费者要对上游消费者的消费情况进行跟踪)。

所以,如果你的下游消费者(C2)看见前一个消费者(C1)在消费号码为12的Entry,当C2的读取也到了12,它在更新序列号前将可以获得C1对该Entry的所作的更新。

基本来说就是,C1更新序列号前对ring buffer的所有操作(如上图黑色所示),必须先发生,待C2拿到C1更新过的序列号之后,C2才可以为所欲为(如上图蓝色所示)。

对性能的影响

内存屏障作为另一个CPU级的指令,没有锁那样大的开销。内核并没有在多个线程间干涉和调度。但凡事都是有代价的。内存屏障的确是有开销的——编译器/cpu不能重排序指令,导致不可以尽可能地高效利用CPU,另外刷新缓存亦会有开销。所以不要以为用volatile代替锁操作就一点事都没。

你会注意到Disruptor的实现对序列号的读写频率尽量降到最低。对volatile字段的每次读或写都是相对高成本的操作。但是,也应该认识到在批量的情况下可以获得很好的表现。如果你知道不应对序列号频繁读写,那么很合理的想到,先获得一整批Entries,并在更新序列号前处理它们。这个技巧对生产者和消费者都适用。以下的例子来自BatchConsumer:

    long nextSequence = sequence + 1;
    while (running)
    {
        try
        {
            final long availableSequence = consumerBarrier.waitFor(nextSequence);
            while (nextSequence <= availableSequence)
            {
                entry = consumerBarrier.getEntry(nextSequence);
                handler.onAvailable(entry);
                nextSequence++;
            }
            handler.onEndOfBatch();
            sequence = entry.getSequence();
        }
        …
        catch (final Exception ex)
        {
            exceptionHandler.handle(ex, entry);
            sequence = entry.getSequence();
            nextSequence = entry.getSequence() + 1;
        }
    }

(你会注意到,这是个旧式的代码和命名习惯,因为这是摘自我以前的博客文章,我认为如果直接转换为新式的代码和命名习惯会让人有点混乱)

在上面的代码中,我们在消费者处理entries的循环中用一个局部变量(nextSequence)来递增。这表明我们想尽可能地减少对volatile类型的序列号的进行读写。

总结

内存屏障是CPU指令,它允许你对数据什么时候对其他进程可见作出假设。在Java里,你使用volatile关键字来实现内存屏障。使用volatile意味着你不用被迫选择加锁,并且还能让你获得性能的提升。

但是,你需要对你的设计进行一些更细致的思考,特别是你对volatile字段的使用有多频繁,以及对它们的读写有多频繁。

PS:上文中讲到的Disruptor中使用的New World Order 是一种完全不同于我目前为止所发表的博文中的命名习惯。我想下一篇文章会对旧式的和新式的命名习惯做一个对照。

 延伸阅读:

[1]  一种高效无锁内存队列的实现

[2] Lock-free publishing

[3] Disruptor系列译文

本系列:



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