如何構(gòu)建java高性能隊(duì)列

本篇內(nèi)容介紹了“如何構(gòu)建java高性能隊(duì)列”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過(guò)程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來(lái)就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

隊(duì)列

隊(duì)列，是一種先進(jìn)先出（First In First Out，F(xiàn)IFO）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于實(shí)際生活場(chǎng)景中的排隊(duì)，先到的人先得。

使用數(shù)組和鏈表實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的隊(duì)列，我們前面都介紹過(guò)了，這里就不再贅述了，有興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊以下鏈接查看：

重溫四大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)組、鏈表、隊(duì)列和棧

說(shuō)起高性能的隊(duì)列，當(dāng)然是說(shuō)在高并發(fā)環(huán)境下也能夠工作得很好的隊(duì)列，這里的很好主要是指兩個(gè)方面：并發(fā)安全、性能好。

并發(fā)安全的隊(duì)列

在Java中，默認(rèn)地，也自帶了一些并發(fā)安全的隊(duì)列：

> 這些隊(duì)列的源碼解析快捷入口：死磕 Java并發(fā)集合之終結(jié)篇

總結(jié)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要有：數(shù)組、鏈表和堆，堆主要用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列，不具備通用性，暫且不討論。

從有界性來(lái)看，只有ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue可以實(shí)現(xiàn)有界隊(duì)列，其它的都是無(wú)界隊(duì)列。

從加鎖來(lái)看，ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue都采用了加鎖的方式，其它的都是采用的CAS這種無(wú)鎖的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

從安全性的角度來(lái)說(shuō)，我們一般都要選擇有界隊(duì)列，防止生產(chǎn)者速度過(guò)快導(dǎo)致內(nèi)存溢出。

從性能的角度來(lái)說(shuō)，我們一般要考慮無(wú)鎖的方式，減少線(xiàn)程上下文切換帶來(lái)的性能損耗。

從JVM的角度來(lái)說(shuō)，我們一般選擇數(shù)組的實(shí)現(xiàn)方式，因?yàn)殒湵頃?huì)頻繁的增刪節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致頻繁的垃圾回收，這也是一種性能損耗。

所以，最佳的選擇就是：數(shù)組 + 有界 + 無(wú)鎖。

而JDK并沒(méi)有提供這樣的隊(duì)列，因此，很多開(kāi)源框架都自己實(shí)現(xiàn)了高性能的隊(duì)列，比如Disruptor，以及Netty中使用的jctools。

高性能隊(duì)列

我們這里不討論具體的某一個(gè)框架，只介紹實(shí)現(xiàn)高性能隊(duì)列的通用技術(shù)，并自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)。

環(huán)形數(shù)組

通過(guò)上面的討論，我們知道實(shí)現(xiàn)高性能隊(duì)列使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)只能是數(shù)組，而數(shù)組實(shí)現(xiàn)隊(duì)列，必然要使用到環(huán)形數(shù)組。

環(huán)形數(shù)組，一般通過(guò)設(shè)置兩個(gè)指針實(shí)現(xiàn)：putIndex和takeIndex，或者叫writeIndex和readIndex，一個(gè)用于寫(xiě)，一個(gè)用于讀。

當(dāng)寫(xiě)指針到達(dá)數(shù)組尾端時(shí)，會(huì)從頭開(kāi)始，當(dāng)然，不能越過(guò)讀指針，同理，讀指針到達(dá)數(shù)組尾端時(shí)，也會(huì)從頭開(kāi)始，當(dāng)然，不能讀取未寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。

而為了防止寫(xiě)指針和讀指針重疊的時(shí)候，無(wú)法分清隊(duì)列到底是滿(mǎn)了還是空的狀態(tài)，一般會(huì)再添加一個(gè)size字段：

所以，使用環(huán)形數(shù)組實(shí)現(xiàn)隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般為：

public class ArrayQueue<t> {
    private T[] array;
    private long wrtieIndex;
    private long readIndex;
    private long size;
}

在單線(xiàn)程的情況下，這樣不會(huì)有任何問(wèn)題，但是，在多線(xiàn)程環(huán)境中，這樣會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的偽共享問(wèn)題。

偽共享

什么是共享？

在計(jì)算機(jī)中，有很多存儲(chǔ)單元，我們接觸最多的就是內(nèi)存，又叫做主內(nèi)存，此外，CPU還有三級(jí)緩存：L1、L2、L3，L1最貼近CPU，當(dāng)然，它的存儲(chǔ)空間也很小，L2比L1稍大一些，L3最大，可以同時(shí)緩存多個(gè)核心的數(shù)據(jù)。CPU取數(shù)據(jù)的時(shí)候，先從L1緩存中讀取，如果沒(méi)有再?gòu)腖2緩存中讀取，如果沒(méi)有再?gòu)腖3中讀取，如果三級(jí)緩存都沒(méi)有，最后會(huì)從內(nèi)存中讀取。離CPU核心越遠(yuǎn)，則相對(duì)的耗時(shí)就越長(zhǎng)，所以，如果要做一些很頻繁的操作，要盡量保證數(shù)據(jù)緩存在L1中，這樣能極大地提高性能。

緩存行

而數(shù)據(jù)在三級(jí)緩存中，也不是說(shuō)來(lái)一個(gè)數(shù)據(jù)緩存一下，而是一次緩存一批數(shù)據(jù)，這一批數(shù)據(jù)又稱(chēng)作緩存行（Cache Line），通常為64字節(jié)。

每一次，當(dāng)CPU去內(nèi)存中拿數(shù)據(jù)的時(shí)候，都會(huì)把它后面的數(shù)據(jù)一并拿過(guò)來(lái)（組成64字節(jié)），我們以long型數(shù)組為例，當(dāng)CPU取數(shù)組中一個(gè)long的時(shí)候，同時(shí)會(huì)把后續(xù)的7個(gè)long一起取到緩存行中。

這在一定程度上能夠加快數(shù)據(jù)的處理，因?yàn)?，此時(shí)在處理下標(biāo)為0的數(shù)據(jù)，下一個(gè)時(shí)刻可能就要處理下標(biāo)為1的數(shù)據(jù)了，直接從緩存中取要快很多。

但是，這樣又帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題——偽共享。

偽共享

試想一下，兩個(gè)線(xiàn)程（CPU）同時(shí)在處理這個(gè)數(shù)組中的數(shù)據(jù)，兩個(gè)CPU都緩存了，一個(gè)CPU在對(duì)array[0]的數(shù)據(jù)加1，另一個(gè)CPU在對(duì)array[1]的數(shù)據(jù)加1，那么，回寫(xiě)到主內(nèi)存的時(shí)候，到底以哪個(gè)緩存行的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)（寫(xiě)回主內(nèi)存的時(shí)候也是以緩存行的形式寫(xiě)回），所以，此時(shí)，就需要對(duì)這兩個(gè)緩存行“加鎖”了，一個(gè)CPU先修改數(shù)據(jù)，寫(xiě)回主內(nèi)存，另一個(gè)CPU才能讀取數(shù)據(jù)并修改數(shù)據(jù)，再寫(xiě)回主內(nèi)存，這樣勢(shì)必會(huì)帶來(lái)性能的損耗，出現(xiàn)的這種現(xiàn)象就叫做偽共享，這種“加鎖”的方式叫做內(nèi)存屏障，關(guān)于內(nèi)存屏障的知識(shí)我們就不展開(kāi)敘述了。

那么，怎么解決偽共享帶來(lái)的問(wèn)題呢？

以環(huán)形數(shù)組實(shí)現(xiàn)的隊(duì)列為例，writeIndex、readIndex、size現(xiàn)在是這樣處理的：

所以，我們只需要在writeIndex和readIndex之間加7個(gè)long就可以把它們隔離開(kāi)，同理，readIndex和size之間也是一樣的。

這樣就消除了writeIndex和readIndex之間的偽共享問(wèn)題，因?yàn)閣riteIndex和readIndex肯定是在兩個(gè)不同的線(xiàn)程中更新，所以，消除偽共享之后帶來(lái)的性能提升是很明顯的。

假如有多個(gè)生產(chǎn)者，writeIndex是肯定會(huì)被爭(zhēng)用的，此時(shí)，要怎么友好地修改writeIndex呢？即一個(gè)生產(chǎn)者線(xiàn)程修改了writeIndex，另一個(gè)生產(chǎn)者線(xiàn)程要立馬可見(jiàn)。

你第一時(shí)間想到的肯定是volatile，沒(méi)錯(cuò)，可是光volatile還不行哦，volatile只能保證可見(jiàn)性和有序性，不能保證原子性，所以，還需要加上原子指令CAS，CAS是誰(shuí)提供的？原子類(lèi)AtomicInteger和AtomicLong都具有CAS的功能，那我們直接使用他們嗎？肯定不是，仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)他們最終都是調(diào)用Unsafe實(shí)現(xiàn)的。

OK，下面就輪到最牛逼的底層殺手登場(chǎng)了——Unsafe。

Unsafe

Unsafe不僅提供了CAS的指令，還提供很多其它操作底層的方法，比如操作直接內(nèi)存、修改私有變量的值、實(shí)例化一個(gè)類(lèi)、阻塞/喚醒線(xiàn)程、帶有內(nèi)存屏障的方法等。

> 關(guān)于Unsafe，可以看這篇文章：死磕 java魔法類(lèi)之Unsafe解析

當(dāng)然，構(gòu)建高性能隊(duì)列，主要使用的是Unsafe的CAS指令以及帶有內(nèi)存屏障的方法等：

// 原子指令
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
// 以volatile的形式獲取值，相當(dāng)于給變量加了volatile關(guān)鍵字
public native long getLongVolatile(Object var1, long var2);
// 延遲更新，對(duì)變量的修改不會(huì)立即寫(xiě)回到主內(nèi)存，也就是說(shuō)，另一個(gè)線(xiàn)程不會(huì)立即可見(jiàn)
public native void putOrderedLong(Object var1, long var2, long var4);

好了，底層知識(shí)介紹的差不多了，是時(shí)候展現(xiàn)真正的技術(shù)了——手寫(xiě)高性能隊(duì)列。

手寫(xiě)高性能隊(duì)列

我們假設(shè)這樣一種場(chǎng)景：有多個(gè)生產(chǎn)者（Multiple Producer），卻只有一個(gè)消費(fèi)者（Single Consumer），這是Netty中的經(jīng)典場(chǎng)景，這樣一種隊(duì)列該怎么實(shí)現(xiàn)？

直接上代碼：

/**
 * 多生產(chǎn)者單消費(fèi)者隊(duì)列
 *
 * @param <t>
 */
public class MpscArrayQueue<t> {

    long p01, p02, p03, p04, p05, p06, p07;
    // 存放元素的地方
    private T[] array;
    long p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7;
    // 寫(xiě)指針，多個(gè)生產(chǎn)者，所以聲明為volatile
    private volatile long writeIndex;
    long p11, p12, p13, p14, p15, p16, p17;
    // 讀指針，只有一個(gè)消費(fèi)者，所以不用聲明為volatile
    private long readIndex;
    long p21, p22, p23, p24, p25, p26, p27;
    // 元素個(gè)數(shù)，生產(chǎn)者和消費(fèi)者都可能修改，所以聲明為volatile
    private volatile long size;
    long p31, p32, p33, p34, p35, p36, p37;

    // Unsafe變量
    private static final Unsafe UNSAFE;
    // 數(shù)組基礎(chǔ)偏移量
    private static final long ARRAY_BASE_OFFSET;
    // 數(shù)組元素偏移量
    private static final long ARRAY_ELEMENT_SHIFT;
    // writeIndex的偏移量
    private static final long WRITE_INDEX_OFFSET;
    // readIndex的偏移量
    private static final long READ_INDEX_OFFSET;
    // size的偏移量
    private static final long SIZE_OFFSET;

    static {
        Field f = null;
        try {
            // 獲取Unsafe的實(shí)例
            f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) f.get(null);

            // 計(jì)算數(shù)組基礎(chǔ)偏移量
            ARRAY_BASE_OFFSET = UNSAFE.arrayBaseOffset(Object[].class);
            // 計(jì)算數(shù)組中元素偏移量
            // 簡(jiǎn)單點(diǎn)理解，64位系統(tǒng)中有壓縮指針占用4個(gè)字節(jié)，沒(méi)有壓縮指針占用8個(gè)字節(jié)
            int scale = UNSAFE.arrayIndexScale(Object[].class);
            if (4 == scale) {
                ARRAY_ELEMENT_SHIFT = 2;
            } else if (8 == scale) {
                ARRAY_ELEMENT_SHIFT = 3;
            } else {
                throw new IllegalStateException("未知指針的大小");
            }

            // 計(jì)算writeIndex的偏移量
            WRITE_INDEX_OFFSET = UNSAFE
                    .objectFieldOffset(MpscArrayQueue.class.getDeclaredField("writeIndex"));
            // 計(jì)算readIndex的偏移量
            READ_INDEX_OFFSET = UNSAFE
                    .objectFieldOffset(MpscArrayQueue.class.getDeclaredField("readIndex"));
            // 計(jì)算size的偏移量
            SIZE_OFFSET = UNSAFE
                    .objectFieldOffset(MpscArrayQueue.class.getDeclaredField("size"));
        } catch (Exception e) {
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    // 構(gòu)造方法
    public MpscArrayQueue(int capacity) {
        // 取整到2的N次方（未考慮越界）
        capacity = 1 &lt;&lt; (32 - Integer.numberOfLeadingZeros(capacity - 1));
        // 實(shí)例化數(shù)組
        this.array = (T[]) new Object[capacity];
    }

    // 生產(chǎn)元素
    public boolean put(T t) {
        if (t == null) {
            return false;
        }
        long size;
        long writeIndex;
        do {
            // 每次循環(huán)都重新獲取size的大小
            size = this.size;
            // 隊(duì)列滿(mǎn)了直接返回
            if (size &gt;= this.array.length) {
                return false;
            }

            // 每次循環(huán)都重新獲取writeIndex的值
            writeIndex = this.writeIndex;

            // while循環(huán)中原子更新writeIndex的值
            // 如果失敗了重新走上面的過(guò)程
        } while (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, WRITE_INDEX_OFFSET, writeIndex, writeIndex + 1));

        // 到這里，說(shuō)明上述原子更新成功了
        // 那么，就把元素的值放到writeIndex的位置
        // 且更新size
        long eleOffset = calcElementOffset(writeIndex, this.array.length-1);
        // 延遲更新到主內(nèi)存，讀取的時(shí)候才更新
        UNSAFE.putOrderedObject(this.array, eleOffset, t);

        // 往死里更新直到成功
        do {
            size = this.size;
        } while (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, SIZE_OFFSET, size, size + 1));

        return true;
    }

    // 消費(fèi)元素
    public T take() {
        long size = this.size;
        // 如果size為0，表示隊(duì)列為空，直接返回
        if (size &lt;= 0) {
            return null;
        }
        // size大于0，肯定有值
        // 只有一個(gè)消費(fèi)者，不用考慮線(xiàn)程安全的問(wèn)題
        long readIndex = this.readIndex;
        // 計(jì)算讀指針處元素的偏移量
        long offset = calcElementOffset(readIndex, this.array.length-1);
            // 獲取讀指針處的元素，使用volatile語(yǔ)法，強(qiáng)制更新生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)到主內(nèi)存
        T e = (T) UNSAFE.getObjectVolatile(this.array, offset);

        // 增加讀指針
        UNSAFE.putOrderedLong(this, READ_INDEX_OFFSET, readIndex+1);
        // 減小size
        do {
            size = this.size;
        } while (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, SIZE_OFFSET, size, size-1));

        return e;
    }

    private long calcElementOffset(long index, long mask) {
        // index &amp; mask 相當(dāng)于取余數(shù)，表示index到達(dá)數(shù)組尾端了從頭開(kāi)始
        return ARRAY_BASE_OFFSET + ((index &amp; mask) &lt;&lt; ARRAY_ELEMENT_SHIFT);
    }

}

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