• Sequenced

环形缓存区与序号相关的操作，这个是环形缓存区的基本属性，不太好用语言来描述，我们通过它的核心方法来阐述：

• int getBufferSize()

获取缓存区大小

• boolean hasAvailableCapacity(int requiredCapacity)

是否还有requiredCapacity个空间供写入线程写入数据

• long remainingCapacity()

当前剩余容量。

• long next()

获取下一个可写入的下标(序号)

• long next(int n)

从环形队列中获取n个可用的下标，返回值为这批最大的可写入序号。

• long tryNext() throws InsufficientCapacityException

尝试从环形队列中获取一个可写入位置，如果没有空闲位置供写入则抛出异常。

• long tryNext(int n) throws InsufficientCapacityException

尝试从环形队列中获取n个可写入位置，如果没有空闲位置供写入则抛出异常。

• void publish(long sequence)

将处于下标sequence的位置“发布”，此时消费者可以从环形队列中消费。

• void publish(long lo, long hi)

将从 lo 到 hi 的下标之间的数据发布。

• DataProvider

数据提供者，只提供了根据下标位置获取数据。

• Cursored

游标，当前处理的下标。

• EventSink

数据 sink，主要是提供了丰富的publish方法。

• RingBufferPad、RingBufferFields

填充实现，主要解决“伪共享”

• RingBuffer

环形缓存区实现类，也是本文的绝对主角。

2、RingBuffer存储结构

---

2.1 伪共享

在介绍RingBuffer的存储结构，就不得不先介绍CPU的缓存机制，在CPU中通常存在L1、L2、L3三级缓存，以前只有L1缓存是集成在CPU中，L2级缓存是集成在主板，随着制造工艺的提升，目前L1、L2、L3三级缓存都集成在CPU，如下图所示：

其中L1存储容量最小，但访问速度最快。CPU在执行指令时，优先从L1获取数据，如果缓存未命中，则依次访问L2、L3、最后访问主内存。

在计算机领域有一个非常著名的理论：局部性原理，在执行指令时访问到的数据，接下来80%的概率会访问到这条数据附近的数据。所以CPU在缓存数据时并不是一次只返回访问到的数据，而是会一次读取批数据(CPU一次缓存64字节数据)，以读取数组为例进行阐述：

在到arrs[0]的时候，会将arrs[0]~arrs[7]这64个字节的数据，组成一个缓存行，这种机制极大的提高性能。

缓存行，但会造成“伪共享”的问题，当缓存行中一个数据发生变化，该缓存行将失效。

接下来结合环形队列为例来阐述一下伪共享。

关于队列，有两个重要的指针getIndex,writeIndex，基于cpu缓存机制，会将这些数据加载到一个缓存行，然后当一个线程更新getIndex值,另外一个线程更新writeIndex，这样任意一个线程对数据进行更新，其cpu中该缓存行就会失效，造成缓存未命中，缓存的优势也就随即消失，这就是所谓的伪共享。

解决伪共享的主要手段是填充，使用填充，我们来存在getIndex,writeIndex的梳理如下：

这样可以保证无论怎么将getIndex、writeIndex加载到CPU的缓存行时，可以保证一个缓存行只会包含getIndex或writeIndex,保证两个线程不会有更新竞争，确保缓存命中率，从而提升性能，这其实是典型的以空间换时间。

2.2 RingBuffer破解伪共享

在RingBuffer中环形队列在底层需要维护一个存储数组，如何确保将这些下标不要和其他变量不要缓存在一个cpu缓存行，通常的方案是在前后数组填充128个字节(这里没有想明白，不是只需要64个字节就可以了吗？)，其代码实现截图如下：

上面有几个知识点：

• UnSafe的arrayIndexScacle方法返回当前jvm中用来表示一个数组下标占用的字节数，64位操作系统开启了指针压缩将返回4，否则返回8，默认开启了指针压缩。

• UnSafe的arrayBaseOffset可以获取数组的起始位置。

• 为了避免伪共享，用户申请bufferSize长度的数组，在内部会扩大其容量，在前后都会填充，这里在前后分别填充了128字节。

RingBuffer的内存布局如下图所示：

3、无锁化实现原理

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了解来数据存储结构后，接下来将分析RingBuffer的写入与读取，特别是探究多线程环境下如何实现无锁化。

3.1 多线程写入无锁化实现原理

在介绍写入数据之前我们先来看一段基于disruptor的写入模板代码：

上述的关键点如下：

• 通过调用RingBuffer的tryNext方法一个写入位置，如果当前没有可用位置供写入，则抛出队列已满异常。

• 通过调用RingBuffer指定下标位置的元素，供数据填充，RingBuffer引用对象池技术，避免发生GC。

• 数据填充完毕后通过调用RingBuffer的publish方法，通知消费方可使用。

• 如果遇到队列已满异常，等待片刻，再次尝试写入。

显而易见，通过调用tryNext方法非常重要，是整个数据写入的核心，故接下来探究该方法，进入RIngBuffer无锁化设计的核心。

RingBuffer的tryNext方法的实现逻辑如下：

可见，RingBuffer直接委托给Sequencer，那Sequencer又是何许人也呢？

3.1.1 Sequencer详解

Sequencer的核心类图如下图所示：

基本的行为主要由Sequenced基类定义，也是理解该类体系职责的关键窗口，Sequenced主要定义如下行为：

• int getBufferSize()

获取缓存区的容量

• boolean hasAvailableCapacity(int requiredCapacity)

判断当前缓存区是否有充足的容量

• long remainingCapacity()

当前剩余的容量

• long next()

获取下一个可写的序号，该值会超过bufferSize，与其进行取模得出底层数组中的下标

• long next(int n)

获取n个连续可写的位置，返回值为这批次最高的序号

• long tryNext() throws InsufficientCapacityException

尝试获取下一个可写的序号，如果当前无可写序号，抛出空间不足异常

• long tryNext(int n) throws InsufficientCapacityException
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