Java网络编程- IO多路复用(多Reactor)(主从式Reactor)

1. 介绍

本篇文章将IO多路复用(多线程)中的单Reactor+多线程网络模型做了改进,

把Reactor拆成两个角色Main ReactorSub Reactor,以提升效能与资源利用率​​。


Main Reactor:负责监听外部的连线请求,并派发给Acceptor处理。故Main Reactor中的selector只有注册OP_ACCEPT事件,也只能监听OP_ACCEPT事件。

Acceptor接受连线后会给client绑定一个Handler并注册IO事件到Sub Reactor上监听,

对于有多个Sub Reactor的情况下,IO事件选择注册给哪个Sub Reactor则是采用Round-robin的机制来分配。


Sub Reactor:負責監聽IO事件,並派發IO事件給Handler處理。Sub Reactor線程的數量可以設置為CPU核心數。



2. 网络模型




3. 源代码


Main Reactor

[TCPReactor.Java]

[java]  view plain  copy
 
  1. // Reactor線程  
  2. package server;  
  3.   
  4. import java.io.IOException;  
  5. import java.net.InetSocketAddress;  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  7. import java.nio.channels.Selector;  
  8. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  9. import java.util.Iterator;  
  10. import java.util.Set;  
  11.   
  12. public class TCPReactor implements Runnable {  
  13.   
  14.     private final ServerSocketChannel ssc;  
  15.     private final Selector selector; // mainReactor用的selector  
  16.   
  17.     public TCPReactor(int port) throws IOException {  
  18.         selector = Selector.open();  
  19.         ssc = ServerSocketChannel.open();  
  20.         InetSocketAddress addr = new InetSocketAddress(port);  
  21.         ssc.socket().bind(addr); // 在ServerSocketChannel綁定監聽端口  
  22.         ssc.configureBlocking(false); // 設置ServerSocketChannel為非阻塞  
  23.         SelectionKey sk = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // ServerSocketChannel向selector註冊一個OP_ACCEPT事件,然後返回該通道的key  
  24.         sk.attach(new Acceptor(ssc)); // 給定key一個附加的Acceptor對象  
  25.     }  
  26.   
  27.     @Override  
  28.     public void run() {  
  29.         while (!Thread.interrupted()) { // 在線程被中斷前持續運行  
  30.             System.out.println("mainReactor waiting for new event on port: "  
  31.                     + ssc.socket().getLocalPort() + "...");  
  32.             try {  
  33.                 if (selector.select() == 0// 若沒有事件就緒則不往下執行  
  34.                     continue;  
  35.             } catch (IOException e) {  
  36.                 e.printStackTrace();  
  37.             }  
  38.             Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); // 取得所有已就緒事件的key集合  
  39.             Iterator it = selectedKeys.iterator();  
  40.             while (it.hasNext()) {  
  41.                 dispatch((SelectionKey) (it.next())); // 根據事件的key進行調度  
  42.                 it.remove();  
  43.             }  
  44.         }  
  45.     }  
  46.   
  47.     /* 
  48.      * name: dispatch(SelectionKey key) 
  49.      * description: 調度方法,根據事件綁定的對象開新線程 
  50.      */  
  51.     private void dispatch(SelectionKey key) {  
  52.         Runnable r = (Runnable) (key.attachment()); // 根據事件之key綁定的對象開新線程  
  53.         if (r != null)  
  54.             r.run();  
  55.     }  
  56.   
  57. }  


Acceptor

[Acceptor.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. // 接受連線請求線程  
  2. package server;  
  3.   
  4. import java.io.IOException;  
  5. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  6. import java.nio.channels.Selector;  
  7. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  9.   
  10. public class Acceptor implements Runnable {  
  11.   
  12.     private final ServerSocketChannel ssc; // mainReactor監聽的socket通道  
  13.     private final int cores = Runtime.getRuntime().availableProcessors(); // 取得CPU核心數  
  14.     private final Selector[] selectors = new Selector[cores]; // 創建核心數個selector給subReactor用  
  15.     private int selIdx = 0// 當前可使用的subReactor索引  
  16.     private TCPSubReactor[] r = new TCPSubReactor[cores]; // subReactor線程  
  17.     private Thread[] t = new Thread[cores]; // subReactor線程  
  18.   
  19.     public Acceptor(ServerSocketChannel ssc) throws IOException {  
  20.         this.ssc = ssc;  
  21.         // 創建多個selector以及多個subReactor線程  
  22.         for (int i = 0; i < cores; i++) {  
  23.             selectors[i] = Selector.open();  
  24.             r[i] = new TCPSubReactor(selectors[i], ssc, i);  
  25.             t[i] = new Thread(r[i]);  
  26.             t[i].start();  
  27.         }  
  28.     }  
  29.   
  30.     @Override  
  31.     public synchronized void run() {  
  32.         try {  
  33.             SocketChannel sc = ssc.accept(); // 接受client連線請求  
  34.             System.out.println(sc.socket().getRemoteSocketAddress().toString()  
  35.                     + " is connected.");  
  36.   
  37.             if (sc != null) {  
  38.                 sc.configureBlocking(false); // 設置為非阻塞  
  39.                 r[selIdx].setRestart(true); // 暫停線程  
  40.                 selectors[selIdx].wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
  41.                 SelectionKey sk = sc.register(selectors[selIdx],  
  42.                         SelectionKey.OP_READ); // SocketChannel向selector[selIdx]註冊一個OP_READ事件,然後返回該通道的key  
  43.                 selectors[selIdx].wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
  44.                 r[selIdx].setRestart(false); // 重啟線程  
  45.                 sk.attach(new TCPHandler(sk, sc)); // 給定key一個附加的TCPHandler對象  
  46.                 if (++selIdx == selectors.length)  
  47.                     selIdx = 0;  
  48.             }  
  49.         } catch (IOException e) {  
  50.             e.printStackTrace();  
  51.         }  
  52.     }  
  53.   
  54. }  


Sub Reactor

Sub Reactor在实作上有个重点要注意,

当一个监听中而阻塞住的selector由于Acceptor需要注册新的IO事件到该selector上时,

Acceptor会调用selector的wakeup()函数唤醒阻塞住的selector,以注册新IO事件后再继续监听。

但Sub Reactor中循环调用selector.select()的线程回圈可能会因为循环太快,导致selector被唤醒后再度于IO事件成功注册前被调用selector.select()而阻塞住,

因此我们需要给Sub Reactor线程循环设置一个flag来控制,

让selector被唤醒后不会马上进入下回合调用selector.select()的Sub Reactor线程循环,

等待我们将新的IO事件注册完之后才能让Sub Reactor线程继续运行。


[TCPSubReactor.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. package server;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  5. import java.nio.channels.Selector;  
  6. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;  
  7. import java.util.Iterator;  
  8. import java.util.Set;  
  9.   
  10. public class TCPSubReactor implements Runnable {  
  11.   
  12.     private final ServerSocketChannel ssc;  
  13.     private final Selector selector;  
  14.     private boolean restart = false;  
  15.     int num;  
  16.   
  17.     public TCPSubReactor(Selector selector, ServerSocketChannel ssc, int num) {  
  18.         this.ssc = ssc;  
  19.         this.selector = selector;  
  20.         this.num = num;  
  21.     }  
  22.   
  23.     @Override  
  24.     public void run() {  
  25.         while (!Thread.interrupted()) { // 在線程被中斷前持續運行  
  26.             //System.out.println("ID:" + num  
  27.             //      + " subReactor waiting for new event on port: "  
  28.             //      + ssc.socket().getLocalPort() + "...");  
  29.             System.out.println("waiting for restart");  
  30.             while (!Thread.interrupted() && !restart) { // 在線程被中斷前以及被指定重啟前持續運行  
  31.                 try {  
  32.                     if (selector.select() == 0)  
  33.                         continue// 若沒有事件就緒則不往下執行  
  34.                 } catch (IOException e) {  
  35.                     e.printStackTrace();  
  36.                 }  
  37.                 Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); // 取得所有已就緒事件的key集合  
  38.                 Iterator it = selectedKeys.iterator();  
  39.                 while (it.hasNext()) {  
  40.                     dispatch((SelectionKey) (it.next())); // 根據事件的key進行調度  
  41.                     it.remove();  
  42.                 }  
  43.             }  
  44.         }  
  45.     }  
  46.   
  47.     /* 
  48.      * name: dispatch(SelectionKey key) description: 調度方法,根據事件綁定的對象開新線程 
  49.      */  
  50.     private void dispatch(SelectionKey key) {  
  51.         Runnable r = (Runnable) (key.attachment()); // 根據事件之key綁定的對象開新線程  
  52.         if (r != null)  
  53.             r.run();  
  54.     }  
  55.   
  56.     public void setRestart(boolean restart) {  
  57.         this.restart = restart;  
  58.     }  
  59. }  


Handler

[TCPHandler.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. // Handler線程  
  2. package server;  
  3.   
  4. import java.io.IOException;  
  5. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  6. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  7. import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;  
  8. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;  
  9. import java.util.concurrent.TimeUnit;  
  10.   
  11. public class TCPHandler implements Runnable {  
  12.   
  13.     private final SelectionKey sk;  
  14.     private final SocketChannel sc;  
  15.     private static final int THREAD_COUNTING = 10;  
  16.     private static ThreadPoolExecutor pool = new ThreadPoolExecutor(  
  17.             THREAD_COUNTING, THREAD_COUNTING, 10, TimeUnit.SECONDS,  
  18.             new LinkedBlockingQueue()); // 線程池  
  19.   
  20.     HandlerState state; // 以狀態模式實現Handler  
  21.   
  22.     public TCPHandler(SelectionKey sk, SocketChannel sc) {  
  23.         this.sk = sk;  
  24.         this.sc = sc;  
  25.         state = new ReadState(); // 初始狀態設定為READING  
  26.         pool.setMaximumPoolSize(32); // 設置線程池最大線程數  
  27.     }  
  28.   
  29.     @Override  
  30.     public void run() {  
  31.         try {  
  32.             state.handle(this, sk, sc, pool);  
  33.   
  34.         } catch (IOException e) {  
  35.             System.out.println("[Warning!] A client has been closed.");  
  36.             closeChannel();  
  37.         }  
  38.     }  
  39.   
  40.     public void closeChannel() {  
  41.         try {  
  42.             sk.cancel();  
  43.             sc.close();  
  44.         } catch (IOException e1) {  
  45.             e1.printStackTrace();  
  46.         }  
  47.     }  
  48.   
  49.     public void setState(HandlerState state) {  
  50.         this.state = state;  
  51.     }  
  52. }  


状态介面

[HandlerState.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. package server;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  5. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  6. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;  
  7.   
  8. public interface HandlerState {  
  9.   
  10.     public void changeState(TCPHandler h);  
  11.   
  12.     public void handle(TCPHandler h, SelectionKey sk, SocketChannel sc,  
  13.             ThreadPoolExecutor pool) throws IOException ;  
  14. }  


状态实现类

[ReadState.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. package server;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.nio.ByteBuffer;  
  5. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  6. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  7. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;  
  8.   
  9. public class ReadState implements HandlerState{  
  10.   
  11.     private SelectionKey sk;  
  12.       
  13.     public ReadState() {  
  14.     }  
  15.       
  16.     @Override  
  17.     public void changeState(TCPHandler h) {  
  18.         // TODO Auto-generated method stub  
  19.         h.setState(new WorkState());  
  20.     }  
  21.   
  22.     @Override  
  23.     public void handle(TCPHandler h, SelectionKey sk, SocketChannel sc,  
  24.             ThreadPoolExecutor pool) throws IOException { // read()  
  25.         this.sk = sk;  
  26.         // non-blocking下不可用Readers,因為Readers不支援non-blocking  
  27.         byte[] arr = new byte[1024];  
  28.         ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(arr);  
  29.           
  30.         int numBytes = sc.read(buf); // 讀取字符串  
  31.         if(numBytes == -1)  
  32.         {  
  33.             System.out.println("[Warning!] A client has been closed.");  
  34.             h.closeChannel();  
  35.             return;  
  36.         }  
  37.         String str = new String(arr); // 將讀取到的byte內容轉為字符串型態  
  38.         if ((str != null) && !str.equals(" ")) {  
  39.             h.setState(new WorkState()); // 改變狀態(READING->WORKING)  
  40.             pool.execute(new WorkerThread(h, str)); // do process in worker thread  
  41.             System.out.println(sc.socket().getRemoteSocketAddress().toString()  
  42.                     + " > " + str);  
  43.         }  
  44.           
  45.     }  
  46.       
  47.     /* 
  48.      * 執行邏輯處理之函數 
  49.      */  
  50.     synchronized void process(TCPHandler h, String str) {  
  51.         // do process(decode, logically process, encode)..  
  52.         // ..  
  53.         h.setState(new WriteState()); // 改變狀態(WORKING->SENDING)  
  54.         this.sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); // 通過key改變通道註冊的事件  
  55.         this.sk.selector().wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
  56.     }  
  57.   
  58.     /* 
  59.      * 工作者線程 
  60.      */  
  61.     class WorkerThread implements Runnable {  
  62.   
  63.         TCPHandler h;  
  64.         String str;  
  65.   
  66.         public WorkerThread(TCPHandler h, String str) {  
  67.             this.h = h;  
  68.             this.str=str;  
  69.         }  
  70.   
  71.         @Override  
  72.         public void run() {  
  73.             process(h, str);  
  74.         }  
  75.   
  76.     }  
  77. }  


[WorkState.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. package server;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  5. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  6. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;  
  7.   
  8. public class WorkState implements HandlerState {  
  9.   
  10.     public WorkState() {  
  11.     }  
  12.       
  13.     @Override  
  14.     public void changeState(TCPHandler h) {  
  15.         // TODO Auto-generated method stub  
  16.         h.setState(new WriteState());  
  17.     }  
  18.   
  19.     @Override  
  20.     public void handle(TCPHandler h, SelectionKey sk, SocketChannel sc,  
  21.             ThreadPoolExecutor pool) throws IOException {  
  22.         // TODO Auto-generated method stub  
  23.           
  24.     }  
  25.   
  26. }  


[WriteState.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. package server;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4. import java.nio.ByteBuffer;  
  5. import java.nio.channels.SelectionKey;  
  6. import java.nio.channels.SocketChannel;  
  7. import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;  
  8.   
  9. public class WriteState implements HandlerState{  
  10.   
  11.     public WriteState() {  
  12.     }  
  13.       
  14.     @Override  
  15.     public void changeState(TCPHandler h) {  
  16.         // TODO Auto-generated method stub  
  17.         h.setState(new ReadState());  
  18.     }  
  19.   
  20.     @Override  
  21.     public void handle(TCPHandler h, SelectionKey sk, SocketChannel sc,  
  22.             ThreadPoolExecutor pool) throws IOException { // send()  
  23.         // get message from message queue  
  24.           
  25.         String str = "Your message has sent to "  
  26.                 + sc.socket().getLocalSocketAddress().toString() + "\r\n";  
  27.         ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(str.getBytes()); // wrap自動把buf的position設為0,所以不需要再flip()  
  28.   
  29.         while (buf.hasRemaining()) {  
  30.             sc.write(buf); // 回傳給client回應字符串,發送buf的position位置 到limit位置為止之間的內容  
  31.         }  
  32.           
  33.         h.setState(new ReadState()); // 改變狀態(SENDING->READING)  
  34.         sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ); // 通過key改變通道註冊的事件  
  35.         sk.selector().wakeup(); // 使一個阻塞住的selector操作立即返回  
  36.     }  
  37. }  


主程序

[Main.java]

[java]  view plain  copy
 
  1. package server;  
  2.   
  3. import java.io.IOException;  
  4.   
  5. public class Main {  
  6.   
  7.       
  8.     public static void main(String[] args) {  
  9.         // TODO Auto-generated method stub  
  10.         try {  
  11.             TCPReactor reactor = new TCPReactor(1333);  
  12.             new Thread(reactor).start();  
  13.         } catch (IOException e) {  
  14.             // TODO Auto-generated catch block  
  15.             e.printStackTrace();  
  16.         }  
  17.     }  
  18.   
  19. }  

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