Javaのスレッドセーフな循環バッファ
並行して実行されているいくつかのWebサーバーインスタンスを検討します。各サーバーは、すべてのサーバーからの最後のNリクエストを保持する役割を持つ単一の共有「ステータスキーパー」への参照を保持しています。
例えば （N=3）：
Server a: "Request id = ABCD" Status keeper=["ABCD"]
Server b: "Request id = XYZZ" Status keeper=["ABCD", "XYZZ"]
Server c: "Request id = 1234" Status keeper=["ABCD", "XYZZ", "1234"]
Server b: "Request id = FOO" Status keeper=["XYZZ", "1234", "FOO"]
Server a: "Request id = BAR" Status keeper=["1234", "FOO", "BAR"]
「ステータスキーパー」は、SLAレポートのこれらの最後のNリクエストを読み取る監視アプリケーションからいつでも呼び出すことができます。
SLAレポートよりもWebサーバーに高い優先順位を与えて、このプロデューサー/コンシューマーシナリオをJavaで実装する最良の方法は何ですか？
CircularFifoBuffer は、リクエストを保持するための適切なデータ構造のようですが、効率的な同時実行を実装するための最適な方法が何かはわかりません。
Buffer fifo = BufferUtils.synchronizedBuffer(new CircularFifoBuffer());
これはロックフリーのリングバッファの実装です。固定サイズのバッファーを実装します-FIFO機能はありません。代わりに各サーバーにCollectionのリクエストを保存することをお勧めします。このようにして、レポートでフィルタリングを行うことができますデータ構造をフィルタリングするのではなく、.
/**
* Container
* ---------
*
* A lock-free container that offers a close-to O(1) add/remove performance.
*
*/
public class Container<T> implements Iterable<T> {
// The capacity of the container.
final int capacity;
// The list.
AtomicReference<Node<T>> head = new AtomicReference<Node<T>>();
// TESTING {
AtomicLong totalAdded = new AtomicLong(0);
AtomicLong totalFreed = new AtomicLong(0);
AtomicLong totalSkipped = new AtomicLong(0);
private void resetStats() {
totalAdded.set(0);
totalFreed.set(0);
totalSkipped.set(0);
}
// TESTING }
// Constructor
public Container(int capacity) {
this.capacity = capacity;
// Construct the list.
Node<T> h = new Node<T>();
Node<T> it = h;
// One created, now add (capacity - 1) more
for (int i = 0; i < capacity - 1; i++) {
// Add it.
it.next = new Node<T>();
// Step on to it.
it = it.next;
}
// Make it a ring.
it.next = h;
// Install it.
head.set(h);
}
// Empty ... NOT thread safe.
public void clear() {
Node<T> it = head.get();
for (int i = 0; i < capacity; i++) {
// Trash the element
it.element = null;
// Mark it free.
it.free.set(true);
it = it.next;
}
// Clear stats.
resetStats();
}
// Add a new one.
public Node<T> add(T element) {
// Get a free node and attach the element.
totalAdded.incrementAndGet();
return getFree().attach(element);
}
// Find the next free element and mark it not free.
private Node<T> getFree() {
Node<T> freeNode = head.get();
int skipped = 0;
// Stop when we hit the end of the list
// ... or we successfully transit a node from free to not-free.
while (skipped < capacity && !freeNode.free.compareAndSet(true, false)) {
skipped += 1;
freeNode = freeNode.next;
}
// Keep count of skipped.
totalSkipped.addAndGet(skipped);
if (skipped < capacity) {
// Put the head as next.
// Doesn't matter if it fails. That would just mean someone else was doing the same.
head.set(freeNode.next);
} else {
// We hit the end! No more free nodes.
throw new IllegalStateException("Capacity exhausted.");
}
return freeNode;
}
// Mark it free.
public void remove(Node<T> it, T element) {
totalFreed.incrementAndGet();
// Remove the element first.
it.detach(element);
// Mark it as free.
if (!it.free.compareAndSet(false, true)) {
throw new IllegalStateException("Freeing a freed node.");
}
}
// The Node class. It is static so needs the <T> repeated.
public static class Node<T> {
// The element in the node.
private T element;
// Are we free?
private AtomicBoolean free = new AtomicBoolean(true);
// The next reference in whatever list I am in.
private Node<T> next;
// Construct a node of the list
private Node() {
// Start empty.
element = null;
}
// Attach the element.
public Node<T> attach(T element) {
// Sanity check.
if (this.element == null) {
this.element = element;
} else {
throw new IllegalArgumentException("There is already an element attached.");
}
// Useful for chaining.
return this;
}
// Detach the element.
public Node<T> detach(T element) {
// Sanity check.
if (this.element == element) {
this.element = null;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Removal of wrong element.");
}
// Useful for chaining.
return this;
}
public T get () {
return element;
}
@Override
public String toString() {
return element != null ? element.toString() : "null";
}
}
// Provides an iterator across all items in the container.
public Iterator<T> iterator() {
return new UsedNodesIterator<T>(this);
}
// Iterates across used nodes.
private static class UsedNodesIterator<T> implements Iterator<T> {
// Where next to look for the next used node.
Node<T> it;
int limit = 0;
T next = null;
public UsedNodesIterator(Container<T> c) {
// Snapshot the head node at this time.
it = c.head.get();
limit = c.capacity;
}
public boolean hasNext() {
// Made into a `while` loop to fix issue reported by @Nim in code review
while (next == null && limit > 0) {
// Scan to the next non-free node.
while (limit > 0 && it.free.get() == true) {
it = it.next;
// Step down 1.
limit -= 1;
}
if (limit != 0) {
next = it.element;
}
}
return next != null;
}
public T next() {
T n = null;
if ( hasNext () ) {
// Give it to them.
n = next;
next = null;
// Step forward.
it = it.next;
limit -= 1;
} else {
// Not there!!
throw new NoSuchElementException ();
}
return n;
}
public void remove() {
throw new UnsupportedOperationException("Not supported.");
}
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder s = new StringBuilder();
Separator comma = new Separator(",");
// Keep counts too.
int usedCount = 0;
int freeCount = 0;
// I will iterate the list myself as I want to count free nodes too.
Node<T> it = head.get();
int count = 0;
s.append("[");
// Scan to the end.
while (count < capacity) {
// Is it in-use?
if (it.free.get() == false) {
// Grab its element.
T e = it.element;
// Is it null?
if (e != null) {
// Good element.
s.append(comma.sep()).append(e.toString());
// Count them.
usedCount += 1;
} else {
// Probably became free while I was traversing.
// Because the element is detached before the entry is marked free.
freeCount += 1;
}
} else {
// Free one.
freeCount += 1;
}
// Next
it = it.next;
count += 1;
}
// Decorate with counts "]used+free".
s.append("]").append(usedCount).append("+").append(freeCount);
if (usedCount + freeCount != capacity) {
// Perhaps something was added/freed while we were iterating.
s.append("?");
}
return s.toString();
}
}
これはO1 putおよびgetに近いことに注意してください。 Separatorは、最初に ""を出力し、それ以降はそのパラメータを出力します。
編集：テストメソッドを追加しました。
// ***** Following only needed for testing. *****
private static boolean Debug = false;
private final static String logName = "Container.log";
private final static NamedFileOutput log = new NamedFileOutput("C:\\Junk\\");
private static synchronized void log(boolean toStdoutToo, String s) {
if (Debug) {
if (toStdoutToo) {
System.out.println(s);
}
log(s);
}
}
private static synchronized void log(String s) {
if (Debug) {
try {
log.writeLn(logName, s);
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
static volatile boolean testing = true;
// Tester object to exercise the container.
static class Tester<T> implements Runnable {
// My name.
T me;
// The container I am testing.
Container<T> c;
public Tester(Container<T> container, T name) {
c = container;
me = name;
}
private void pause() {
try {
Thread.sleep(0);
} catch (InterruptedException ex) {
testing = false;
}
}
public void run() {
// Spin on add/remove until stopped.
while (testing) {
// Add it.
Node<T> n = c.add(me);
log("Added " + me + ": " + c.toString());
pause();
// Remove it.
c.remove(n, me);
log("Removed " + me + ": " + c.toString());
pause();
}
}
}
static final String[] strings = {
"One", "Two", "Three", "Four", "Five",
"Six", "Seven", "Eight", "Nine", "Ten"
};
static final int TEST_THREADS = Math.min(10, strings.length);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Debug = true;
log.delete(logName);
Container<String> c = new Container<String>(10);
// Simple add/remove
log(true, "Simple test");
Node<String> it = c.add(strings[0]);
log("Added " + c.toString());
c.remove(it, strings[0]);
log("Removed " + c.toString());
// Capacity test.
log(true, "Capacity test");
ArrayList<Node<String>> nodes = new ArrayList<Node<String>>(strings.length);
// Fill it.
for (int i = 0; i < strings.length; i++) {
nodes.add(i, c.add(strings[i]));
log("Added " + strings[i] + " " + c.toString());
}
// Add one more.
try {
c.add("Wafer thin mint!");
} catch (IllegalStateException ise) {
log("Full!");
}
c.clear();
log("Empty: " + c.toString());
// Iterate test.
log(true, "Iterator test");
for (int i = 0; i < strings.length; i++) {
nodes.add(i, c.add(strings[i]));
}
StringBuilder all = new StringBuilder ();
Separator sep = new Separator(",");
for (String s : c) {
all.append(sep.sep()).append(s);
}
log("All: "+all);
for (int i = 0; i < strings.length; i++) {
c.remove(nodes.get(i), strings[i]);
}
sep.reset();
all.setLength(0);
for (String s : c) {
all.append(sep.sep()).append(s);
}
log("None: " + all.toString());
// Multiple add/remove
log(true, "Multi test");
for (int i = 0; i < strings.length; i++) {
nodes.add(i, c.add(strings[i]));
log("Added " + strings[i] + " " + c.toString());
}
log("Filled " + c.toString());
for (int i = 0; i < strings.length - 1; i++) {
c.remove(nodes.get(i), strings[i]);
log("Removed " + strings[i] + " " + c.toString());
}
c.remove(nodes.get(strings.length - 1), strings[strings.length - 1]);
log("Empty " + c.toString());
// Multi-threaded add/remove
log(true, "Threads test");
c.clear();
for (int i = 0; i < TEST_THREADS; i++) {
Thread t = new Thread(new Tester<String>(c, strings[i]));
t.setName("Tester " + strings[i]);
log("Starting " + t.getName());
t.start();
}
// Wait for 10 seconds.
long stop = System.currentTimeMillis() + 10 * 1000;
while (System.currentTimeMillis() < stop) {
Thread.sleep(100);
}
// Stop the testers.
testing = false;
// Wait some more.
Thread.sleep(1 * 100);
// Get stats.
double added = c.totalAdded.doubleValue();
double skipped = c.totalSkipped.doubleValue();
//double freed = c.freed.doubleValue();
log(true, "Stats: added=" + c.totalAdded + ",freed=" + c.totalFreed + ",skipped=" + c.totalSkipped + ",O(" + ((added + skipped) / added) + ")");
}
多分あなたは Disruptor-Concurrent Programming Framework を見たいでしょう。
- 代替案、設計、および
Java.util.concurrent.ArrayBlockingQueueとのパフォーマンスの比較について説明した論文は、こちらからご覧ください： pdf - BlogsAndArticles の最初の3つの記事を読むことを検討してください。
ライブラリが多すぎる場合は、Java.util.concurrent.ArrayBlockingQueueを使用してください
私はArrayDequeを見てみるか、より同時実行の実装については、Javaで最も洗練された複雑なリングバッファの1つである Disruptor ライブラリを見てください。
代替手段は、プロデューサーがコンシューマーを待つ必要がないため、より並行性のある無制限のキューを使用することです。 Java Chronicle
ニーズが複雑さを正当化しない限り、ArrayDequeで十分です。
Java.util.concurrentもご覧ください。
ブロッキングキューは、消費するスペースまたは（オプションで）生成するスペースがあるまでブロックします。
http://docs.Oracle.com/javase/1.5.0/docs/api/Java/util/concurrent/BlockingQueue.html
同時リンクキューは非ブロッキングであり、プロデューサーとコンシューマーを同時にアクティブにできる滑らかなアルゴリズムを使用します。
http://docs.Oracle.com/javase/1.5.0/docs/api/Java/util/concurrent/ConcurrentLinkedQueue.html
Hazelcastの Queue は、要求するほとんどすべてを提供しますが、循環をサポートしません。しかし、あなたの説明から、実際にそれが必要かどうかはわかりません。
それが私なら、あなたが示したようにCircularFIFOBufferを使用し、書き込み（追加）の際にバッファーの周りで同期します。監視アプリケーションがバッファを読み取る必要がある場合は、バッファで同期し、レポートに使用するためにバッファをコピーまたは複製します。
この提案は、新しいオブジェクトにバッファをコピー/クローンするための待ち時間が最小限であるという前提に基づいています。要素が多数あり、コピー時間が遅い場合、これは良い考えではありません。
疑似コードの例：
public void writeRequest(String requestID) {
synchronized(buffer) {
buffer.add(requestID);
}
}
public Collection<String> getRequests() {
synchronized(buffer) {
return buffer.clone();
}
}