Reactor 模式的 JAVA NIO 多线程服务器

JAVA NIO 多线程服务器 1.2版
Reactor 模式的 JAVA NIO 多线程服务器

从JDK 1.4开始，Java的标准库中就包含了NIO，即所谓的“New IO”。其中最重要的功能就是提供了“非阻塞”的IO，当然包括了Socket。NonBlocking的IO就是对select(Unix平台下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平台)的封装，提供了高性能、易伸缩的服务架构。

说来惭愧，直到JDK1.4才有这种功能，但迟到者不一定没有螃蟹吃，NIO就提供了优秀的面向对象的解决方案，可以很方便地编写高性能的服务器。

话说回来，传统的Server/Client实现是基于Thread per request，即服务器为每个客户端请求建立一个线程处理，单独负责处理一个客户的请求。比如像Tomcat（新版本也会提供NIO方案）、Resin等Web服务器就是这样实现的。当然为了减少瞬间峰值问题，服务器一般都使用线程池，规定了同时并发的最大数量，避免了线程的无限增长。

但这样有一个问题：如果线程池的大小为100，当有100个用户同时通过HTTP现在一个大文件时，服务器的线程池会用完，因为所有的线程都在传输大文件了，即使第101个请求者仅仅请求一个只有10字节的页面，服务器也无法响应了，只有等到线程池中有空闲的线程出现。

另外，线程的开销也是很大的，特别是达到了一个临界值后，性能会显著下降，这也限制了传统的Socket方案无法应对并发量大的场合，而“非阻塞”的IO就能轻松解决这个问题。

下面只是一个简单的例子：服务器提供了下载大型文件的功能，客户端连接上服务器的12345端口后，就可以读取服务器发送的文件内容信息了。注意这里的服务器只有一个主线程，没有其他任何派生线程，让我们看看NIO是如何用一个线程处理N个请求的。

NIO服务器最核心的一点就是反应器模式：当有感兴趣的事件发生的，就通知对应的事件处理器去处理这个事件，如果没有，则不处理。所以使用一个线程做轮询就可以了。当然这里这是个例子，如果要获得更高性能，可以使用少量的线程，一个负责接收请求，其他的负责处理请求，特别是对于多CPU时效率会更高。

关于使用NIO过程中出现的问题，最为普遍的就是为什么没有请求时CPU的占用率为100%？出现这种问题的主要原因是注册了不感兴趣的事件，比如如果没有数据要发到客户端，而又注册了写事件（OP_WRITE），则在 Selector.select()上就会始终有事件出现，CPU就一直处理了，而此时select()应该是阻塞的。

线程模型

NIO 的选择器采用了多路复用（Multiplexing）技术，可在一个选择器上处理多个套接字，通过获取读写通道来进行 IO 操作。由于网络带宽等原因，在通道的读、写操作中是容易出现等待的，所以在读、写操作中引入多线程，对性能提高明显，而且可以提高客户端的感知服务质量。所以本文的模型将主要通过使用读、写线程池来提高与客户端的数据交换能力。

如下图所示，服务端接受客户端请求后，控制线程将该请求的读通道交给读线程池，由读线程池分配线程完成对客户端数据的读取操作；当读线程完成读操作后，将数据返回控制线程，进行服务端的业务处理；完成业务处理后，将需回应给客户端的数据和写通道提交给写线程池，由写线程完成向客户端发送回应数据的操作。

（NIO 多线程服务器模型）

同时整个服务端的流程处理，建立于事件机制上。在 [接受连接－＞读－＞业务处理－＞写 －＞关闭连接 ]这个过程中，触发器将触发相应事件，由事件处理器对相应事件分别响应，完成服务器端的业务处理。
下面我们就来详细看一下这个模型的各个组成部分。

 

 

public class MiniServer extends Thread
{
    private static final Log log = LogFactory.getLog(MiniServer.class);
   
    private final Selector s;
    private final ServerSocketChannel ssc;
    private ExecutorService executor;
   
    public MiniServer(int portnumber,ExecutorService executor) throws IOException
    {
        this.executor=executor;
        s = Selector.open();
        ssc = ServerSocketChannel.open();
        ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(portnumber));
        ssc.configureBlocking(false);
        ssc.register(s,SelectionKey.OP_ACCEPT);
    }
   
    public void run()
    {
        try
        {
            while(s.isOpen())
            {
                int nKeys=s.select();
                if(nKeys>0)
                {
                    Iterator it = s.selectedKeys().iterator();
                    while (it.hasNext())
                    {
                        SelectionKey key = it.next();
                        it.remove();
                        if (!key.isValid() || !key.channel().isOpen())
                            continue;
                        if(key.isAcceptable())
                        {
                            SocketChannel sc = ssc.accept();
                            if (sc != null)
                            {
                                sc.configureBlocking(false);
                                sc.register(s, SelectionKey.OP_READ, new Reader(executor));
                            }
                        }
                        else if(key.isReadable()||key.isWritable())
                        {
                            Reactor reactor = (Reactor) key.attachment();
                            reactor.execute(key);
                        }
                    }
                }
            }
        }
        catch(IOException e)
        {
            log.info(e);
        }
    }
}

public interface Reactor
{
    void execute(SelectionKey key);
}

public class Reader implements Reactor
{
    private static final Log log = LogFactory.getLog(Reader.class);
   
    private byte[] bytes=new byte[0];
    private ExecutorService executor;
   
    public Reader(ExecutorService executor)
    {
        this.executor=executor;
    }
   
    @Override
    public void execute(SelectionKey key)
    {
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        try
        {
            ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
            int len=-1;
            while(sc.isConnected() && (len=sc.read(buffer))>0)
            {
                buffer.flip();
                  byte [] content = new byte[buffer.limit()];
                buffer.get(content);
                bytes=NutUtil.ArrayCoalition(bytes,content);
                buffer.clear();
            }
            if(len==0)
            {
                key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                key.selector().wakeup();
            }
            else if(len==-1)
            {
                Callable call=new ProcessCallable(bytes);
                Future task=executor.submit(call);
                ByteBuffer output=ByteBuffer.wrap(task.get());
                sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_WRITE, new Writer(output));
            }
        }
        catch(Exception e)
        {
            log.info(e);
        }
    }
}

public class Writer implements Reactor
{
    private static final Log log = LogFactory.getLog(Writer.class);
   
    private ByteBuffer output;
   
    public Writer(ByteBuffer output)
    {
        this.output=output;
    }
   
    public void execute(SelectionKey key)
    {
        SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
        try
        {
            while(sc.isConnected() && output.hasRemaining())
            {
                int len=sc.write(output);
                if(len<0)
                {
                    throw new EOFException();
                }
                if(len==0)
                {
                    key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
                    key.selector().wakeup();
                    break;
                }
            }
            if(!output.hasRemaining())
            {
                output.clear();
                key.cancel();
                sc.close();
            }
        }
        catch(IOException e)
        {
            log.info(e);
        }
    }
}