java pipeline并发模式

1、pipeline简介

pipeline又称为管道，是一种在计算机普遍使用的技术。举个最普遍的例子，如下图所示cpu流水线，一个流水线分为4部分，每个部分可以独立工作，于是可以处理多个数据流。linux 管道也是一个常用的管道技术，其字符处理功能十分强大，在面试过程中常会被问到。在分布式处理领域，由于管道模式是数据驱动，而目前流行的Spark分布式处理平台也是数据驱动的，两者非常合拍，于是在spark的新的api里面pipeline模式得到了广泛的应用。还有java web中的struct的filter、netty的pipeline，无处不见pipeline模式。因此，本小结的目标是使用java编写一个简易的pipeline小程序，并进行相应的功能，性能 测试。

2、设计思路

我以字符串处理为例，通常对字符串的处理不会一步就完成，需要分成几部来完成，而并行的处理方式不适合于大量数据流的场景。于是本节的目的是实现一个并行字符串处理程序。设计思路如下图所示，参考了netty的管道模型。

一个管道中包含多个channelhandler、每个handler实现了具体的处理方法，每个handler都唯一对应了一个context，在pipeline中，所有的context是构成一个链式结构的，链式结构是有序的，于是context的先后顺序决定了处理的先后顺序，pipeline可以通过context来调用handler。每个handler实际上只是一个接口，需要用户去自己实现。

3、Handler接口

该接口只需要实现字符串处理，然后把结果传给下一个handler就可以了。代码入下，接口参数HandlerContext为下一个handler的context，而Object为从上一个handler处理之后传入的结果。

public interface Handler {  
    void channelRead(HandlerContext ctx, Object msg);  
}  

4、HandlerContext

HandlerContext的作用比较大，首先它是链表的一部分，因此需要有指向下一个context的指针；然后它负责调用handler，而我们要实现一个并发的处理程序，那么HandlerContext就需要维护一个线程池来供handler处理。具体代码如下

public class HandlerContext {  
    private ExecutorService executor= Executors.newCachedThreadPool();//线程池  
    private Handler handler;  
    private HandlerContext next;//下一个context的引用  
    public HandlerContext(Handler handler){  
        this.handler=handler;  
    }  
    public void setNext(HandlerContext ctx){  
        this.next=ctx;  
    }  
    public void doWork(Object msg){//执行任务的时候向线程池提交一个runnable的任务，任务中调用handler  
        if(next==null){  
            return;  
        }else {  
            executor.submit(new Runnable() {  
                @Override  
                public void run() {  
                    handler.channelRead(next, msg);//把下一个handler的context穿个handler来实现回调  
                }  
            });  
        }  
        //handler.channelRead(next,msg);  
    }  
    public void write(Object msg){//这里的write操作是给handler调用的，实际上是一个回调方法，当handler处理完数据之后，调用一下nextcontext.write，此时就把任务传递给下一个handler了。  
        doWork(msg);  
    }  
}  

5、pipeline

pipeline维护了handlercontext链表，对该链表进行增删改操作，同时他对外提供了整个pipeline的调用接口。其代码如下：

public class MyPipeline {  
    private HandlerContext head;//链表头  
    private HandlerContext tail;//链表尾，如果是一个双向链表，这个成员将会被用到，netty就使用的双向链表，因为是全双工的。  
    public void addFirst(Handler handler){//这里仅仅实现了一个简单的插入操作，即在链表的头部出入一个handler。  
        HandlerContext ctx=new HandlerContext(handler);  
        HandlerContext tmp=head;  
        head=ctx;  
        head.setNext(tmp);  
    }  
    public MyPipeline(){  
        head=tail=new HeadContext(new HeadHandler());  
    }  
    public void Request(Object msg){//封装了外部调用接口  
        head.doWork(msg);  
    }  
    final class HeadContext extends HandlerContext{//这是一个内部类，为默认handler的context  
        public HeadContext(Handler handler) {  
            super(handler);  
        }  
    }  
    final class HeadHandler implements Handler{//这是一个内部类，是pipeline的默认处理handler。  
        @Override  
        public void channelRead(HandlerContext ctx, Object msg) {  
            String result=(String)msg+"end";  
            System.out.println(result);  
        }  
    }  
}  

6、自定义handler

下面为了测试，将自定义两个handler，分别为TestHandler1、TestHandler2，连个handler的作用为在字符串后面加上特定的后缀。其实现如下：

6.1 TestHandler1

public class TestHandler1 implements Handler{  
    @Override  
    public void channelRead(HandlerContext ctx, Object msg) {  
        //// TODO: 2016/11/22  
        try {  
            Thread.sleep(1000);//模拟阻塞  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        String result=(String)msg+"-handler1";//在字符串后面加特定字符串  
        System.out.println(result);  
        ctx.write(result);//写入操作，这个操作是必须的，相当于将结果传递给下一个handler  
    }  
}  

6.2 TestHandler2

public class TestHandler2 implements Handler{  
    @Override  
    public void channelRead(HandlerContext ctx, Object msg) {  
        //// TODO: 2016/11/22  
        try {  
            Thread.sleep(1000);  
        } catch (InterruptedException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
        String result=(String)msg+"-handler2";  
        System.out.println(result);  
        ctx.write(result);  
    }  
}  

7、测试

如下所示的代码中，先定义一个pipeline，然后在pipeline中添加两个handler，然后为了测试并发性能，分别请求多次。

public class Main {  
    public static void main(String[] args){  
        MyPipeline pipeline=new MyPipeline();  
        pipeline.addFirst(new TestHandler2());//添加handler1  
        pipeline.addFirst(new TestHandler1());//添加handler2  
        for(int i=0;i<10;i++){//提交多个任务  
            pipeline.Request("hello"+i);  
        }  
    }  
}  

8、测试结果

测试结果可以看到，10个任务都正确执行了（在字符串后面加了两个特定字符串），由于并发执行，其输出结果并不是按照任务提交的时候的顺序输出的。经过统计，程序运行时间大约2秒，正好为模拟两个handler阻塞的时间。如果是单线程程序的话，每个请求都会阻塞2秒，10个任务就是20秒，会比我写的并行程序慢很多。

hello0-handler1  
hello5-handler1  
hello4-handler1  
hello3-handler1  
hello2-handler1  
hello1-handler1  
hello7-handler1  
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参考链接