使用Java NIO编写高性能的服务器

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。

另外一个值得注意的问题是：由于只使用了一个线程（多个线程也如此）处理用户请求，所以要避免线程被阻塞，解决方法是事件的处理者必须要即刻返回，不能陷入循环中，否则会影响其他用户的请求速度。

具体到本例子中，由于文件比较大，如果一次性发送整个文件（这里的一次性不是指send整个文件内容，而是通过while循环不间断的发送分组包），则主线程就会阻塞，其他用户就不能响应了。这里的解决方法是当有WRITE事件时，仅仅是发送一个块（比如4K字节）。发完后，继续等待WRITE事件出现，依次处理，直到整个文件发送完毕，这样就不会阻塞其他用户了。

服务器的例子：

package nio.file; import java.io.FileInputStream; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.CharBuffer; import java.nio.channels.FileChannel; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.ServerSocketChannel; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.nio.charset.CharsetDecoder; import java.util.Iterator; /**  * 测试文件下载的NIOServer  *   * @author tenyears.cn  */ public class NIOServer {   static int BLOCK = 4096;   // 处理与客户端的交互   public class HandleClient {     protected FileChannel channel;     protected ByteBuffer buffer;     public HandleClient() throws IOException {       this.channel = new FileInputStream(filename).getChannel();       this.buffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);     }     public ByteBuffer readBlock() {       try {         buffer.clear();         int count = channel.read(buffer);         buffer.flip();         if (count <= 0)           return null;       } catch (IOException e) {         e.printStackTrace();       }       return buffer;     }     public void close() {       try {         channel.close();       } catch (IOException e) {         e.printStackTrace();       }     }   }   protected Selector selector;   protected String filename = "d:\\bigfile.dat"; // a big file   protected ByteBuffer clientBuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);   protected CharsetDecoder decoder;   public NIOServer(int port) throws IOException {     selector = this.getSelector(port);     Charset charset = Charset.forName("GB2312");     decoder = charset.newDecoder();   }   // 获取Selector   protected Selector getSelector(int port) throws IOException {     ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();     Selector sel = Selector.open();     server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));     server.configureBlocking(false);     server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);     return sel;   }   // 监听端口   public void listen() {     try {       for (;;) {         selector.select();         Iterator<selectionkey></selectionkey> iter = selector.selectedKeys()             .iterator();         while (iter.hasNext()) {           SelectionKey key = iter.next();           iter.remove();           handleKey(key);         }       }     } catch (IOException e) {       e.printStackTrace();     }   }   // 处理事件   protected void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {     if (key.isAcceptable()) { // 接收请求       ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();       SocketChannel channel = server.accept();       channel.configureBlocking(false);       channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);     } else if (key.isReadable()) { // 读信息       SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();       int count = channel.read(clientBuffer);       if (count > 0) {         clientBuffer.flip();         CharBuffer charBuffer = decoder.decode(clientBuffer);         System.out.println("Client >>" + charBuffer.toString());         SelectionKey wKey = channel.register(selector,             SelectionKey.OP_WRITE);         wKey.attach(new HandleClient());       } else         channel.close();       clientBuffer.clear();     } else if (key.isWritable()) { // 写事件       SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();       HandleClient handle = (HandleClient) key.attachment();       ByteBuffer block = handle.readBlock();       if (block != null)         channel.write(block);       else {         handle.close();         channel.close();       }     }   }   public static void main(String[] args) {     int port = 12345;     try {       NIOServer server = new NIOServer(port);       System.out.println("Listernint on " + port);       while (true) {         server.listen();       }     } catch (IOException e) {       e.printStackTrace();     }   } }

该代码中，通过一个HandleClient来获取文件的一块数据，每一个客户都会分配一个HandleClient的实例。

下面是客户端请求的代码，也比较简单，模拟100个用户同时下载文件。

package nio.file; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.CharBuffer; import java.nio.channels.SelectionKey; import java.nio.channels.Selector; import java.nio.channels.SocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.nio.charset.CharsetEncoder; import java.util.Iterator; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors; /**  * 文件下载客户端  * @author tenyears.cn  */ public class NIOClient {   static int SIZE = 100;   static InetSocketAddress ip = new InetSocketAddress("localhost",12345);   static CharsetEncoder encoder = Charset.forName("GB2312").newEncoder();   static class Download implements Runnable {     protected int index;     public Download(int index) {       this.index = index;     }     public void run() {       try {         long start = System.currentTimeMillis();         SocketChannel client = SocketChannel.open();         client.configureBlocking(false);         Selector selector = Selector.open();         client.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);         client.connect(ip);         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8 * 1024);         int total = 0;         FOR: for (;;) {           selector.select();           Iterator<selectionkey></selectionkey> iter = selector.selectedKeys()               .iterator();           while (iter.hasNext()) {             SelectionKey key = iter.next();             iter.remove();             if (key.isConnectable()) {               SocketChannel channel = (SocketChannel) key                   .channel();               if (channel.isConnectionPending())                 channel.finishConnect();               channel.write(encoder.encode(CharBuffer                   .wrap("Hello from " + index)));               channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);             } else if (key.isReadable()) {               SocketChannel channel = (SocketChannel) key                   .channel();               int count = channel.read(buffer);               if (count > 0) {                 total += count;                 buffer.clear();               } else {                 client.close();                 break FOR;               }             }           }         }         double last = (System.currentTimeMillis() - start) * 1.0 / 1000;         System.out.println("Thread " + index + " downloaded " + total             + "bytes in " + last + "s.");       } catch (IOException e) {         e.printStackTrace();       }     }   }   public static void main(String[] args) throws IOException {     ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(SIZE);     for (int index = 0; index < SIZE; index++) {       exec.execute(new Download(index));     }     exec.shutdown();   } }

操作系统的API  epoll, select， NonBlocking的IO就是对select(Unix平台下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平台)的封装，是OS级别下的支持。