【Getty】Java NIO框架设计与实现

前言

Getty是我为了学习 Java NIO 所写的一个 NIO 框架，实现过程中参考了 Netty 的设计，同时使用 Groovy 来实现。虽然只是玩具，但是麻雀虽小，五脏俱全，在实现过程中，不仅熟悉了 NIO 的使用，还借鉴了很多 Netty 的设计思想，提升了自己的编码和设计能力。

至于为什么用 Groovy 来写，因为我刚学了 Groovy，正好拿来练手，加上 Groovy 是兼容 Java 的，所以只是语法上的差别，底层实现还是基于 Java API的。

Getty 的核心代码行数不超过 500 行，一方面得益于 Groovy 简洁的语法，另一方面是因为我只实现了核心的逻辑，最复杂的其实是解码器实现。脚手架容易搭，摩天大楼哪有那么容易盖，但用来学习 NIO 足以。

线程模型

Getty 使用的是 Reactor 多线程模型

reactor

有专门一个 NIO 线程- Acceptor 线程用于监听服务端，接收客户端的 TCP 连接请求，然后将连接分配给工作线程，由工作线程来监听读写事件。
网络 IO 操作-读/写等由多个工作线程负责，由这些工作线程负责消息的读取、解码、编码和发送。
1 个工作线程可以同时处理N条链路，但是 1 个链路只对应 1 个工作线程，防止发生并发操作问题。

事件驱动模型

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。

事件定义

onRead：当客户端发来数据，并已被工作线程正确读取时，触发该事件。该事件通知各事件处理器可以对客户端发来的数据进行实际处理了。
onWrite：当客户端可以开始接受服务端发送数据时触发该事件，通过该事件，我们可以向客户端发送响应数据。（当前的实现中并未使用写事件）
onClosed：当客户端与服务器断开连接时触发该事件。

事件回调机制的实现

在这个模型中，事件采用广播方式，也就是所有注册的事件处理器都能获得事件通知。这样可以将不同性质的业务处理，分别用不同的处理器实现，使每个处理器的功能尽可能单一。

如下图：整个事件模型由监听器、事件适配器、事件触发器（HandlerChain，PipeLine）、事件处理器组成。

event

ServerListener：这是一个事件接口，定义需监听的服务器事件

interface ServerListener extends Serializable{
    /**
     * 可读事件回调
     * @param request
     */
    void onRead(ctx)
    /**
     * 可写事件回调
     * @param request
     * @param response
     */
    void onWrite(ctx)
    /**
     * 连接关闭回调
     * @param request
     */
    void onClosed(ctx)
}

EventAdapter：对 Serverlistener 接口实现一个适配器 (EventAdapter)，这样的好处是最终的事件处理器可以只处理所关心的事件。

class EventAdapter implements ServerListener {
    //下个处理器的引用
    protected next
    void onRead(Object ctx) {
    }
    void onWrite(Object ctx) {
    }
    void onClosed(Object ctx) {
    }
}

Notifier：用于在适当的时候通过触发服务器事件，通知在册的事件处理器对事件做出响应。

interface Notifier extends Serializable{
    /**
     * 触发所有可读事件回调
     */
    void fireOnRead(ctx)
    /**
     * 触发所有可写事件回调
     */
    void fireOnWrite(ctx)
    /**
     * 触发所有连接关闭事件回调
     */
    void fireOnClosed(ctx)
}

HandlerChain：实现了Notifier接口，维持有序的事件处理器链条，每次从第一个处理器开始触发。

class HandlerChain implements Notifier{
    EventAdapter head
    EventAdapter tail
    /**
     * 添加处理器到执行链的最后
     * @param handler
     */
    void addLast(handler) {
        if (tail != null) {
            tail.next = handler
            tail = tail.next
        } else {
            head = handler
            tail = head
        }
    }
    void fireOnRead(ctx) {
        head.onRead(ctx)
    }
    void fireOnWrite(ctx) {
        head.onWrite(ctx)
    }
    void fireOnClosed(ctx) {
        head.onClosed(ctx)
    }
}

PipeLine：实现了Notifier接口，作为事件总线，维持一个事件链的列表。

class PipeLine implements Notifier{
    static logger = LoggerFactory.getLogger(PipeLine.name)
    //监听器队列
    def listOfChain = []
    PipeLine(){}
    /**
     * 添加监听器到监听队列中
     * @param chain
     */
    void addChain(chain) {
        synchronized (listOfChain) {
            if (!listOfChain.contains(chain)) {
                listOfChain.add(chain)
            }
        }
    }
    /**
     * 触发所有可读事件回调
     */
    void fireOnRead(ctx) {
        logger.debug("fireOnRead")
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnRead(ctx)
        }
    }
    /**
     * 触发所有可写事件回调
     */
    void fireOnWrite(ctx) {
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnWrite(ctx)
        }
    }
    /**
     * 触发所有连接关闭事件回调
     */
    void fireOnClosed(ctx) {
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnClosed(ctx)
        }
    }
}

事件处理流程

编程模型

事件处理采用职责链模式，每个处理器处理完数据之后会决定是否继续执行下一个处理器。如果处理器不将任务交给线程池处理，那么整个处理流程都在同一个线程中处理。而且每个连接都有单独的PipeLine，工作线程可以在多个连接上下文切换，但是一个连接上下文只会被一个线程处理。

核心类

ConnectionCtx

连接上下文ConnectionCtx

class ConnectionCtx {
    /**socket连接*/
    SocketChannel channel
    /**用于携带额外参数*/
    Object attachment
    /**处理当前连接的工作线程*/
    Worker worker
    /**连接超时时间*/
    Long timeout
    /**每个连接拥有自己的pipeline*/
    PipeLine pipeLine
}

NioServer

主线程负责监听端口，持有工作线程的引用（使用轮转法分配连接），每次有连接到来时，将连接放入工作线程的连接队列，并唤醒线程selector.wakeup()（线程可能阻塞在selector上）。

class NioServer extends Thread {
    /**服务端的套接字通道*/
    ServerSocketChannel ssc
    /**选择器*/
    Selector selector
    /**事件总线*/
    PipeLine pipeLine
    /**工作线程列表*/
    def workers = []
    /**当前工作线程索引*/
    int index
}

Worker

工作线程，负责注册server传递过来的socket连接。主要监听读事件，管理socket，处理写操作。

class Worker extends Thread {
    /**选择器*/
    Selector selector
    /**读缓冲区*/
    ByteBuffer buffer
    /**主线程分配的连接队列*/
    def queue = []
    /**存储按超时时间从小到大的连接*/
    TreeMap ctxTreeMap

    void run() {
        while (true) {
            selector.select()
            //注册主线程发送过来的连接
            registerCtx()
            //关闭超时的连接
            closeTimeoutCtx()
            //处理事件
            dispatchEvent()
        }
    }
}

运行一个简单的 Web 服务器

我实现了一系列处理HTTP请求的处理器，具体实现看代码。

LineBasedDecoder：行解码器，按行解析数据
HttpRequestDecoder：HTTP请求解析，目前只支持GET请求
HttpRequestHandler：Http 请求处理器，目前只支持GET方法
HttpResponseHandler：Http响应处理器

下面是写在test中的例子

class WebServerTest {
    static void main(args) {
        def pipeLine = new PipeLine()

        def readChain = new HandlerChain()
        readChain.addLast(new LineBasedDecoder())
        readChain.addLast(new HttpRequestDecoder())
        readChain.addLast(new HttpRequestHandler())
        readChain.addLast(new HttpResponseHandler())

        def closeChain = new HandlerChain()
        closeChain.addLast(new ClosedHandler())

        pipeLine.addChain(readChain)
        pipeLine.addChain(closeChain)

        NioServer nioServer = new NioServer(pipeLine)
        nioServer.start()
    }
}

另外，还可以使用配置文件getty.properties设置程序的运行参数。

#用于拼接消息时使用的二进制数组的缓存区
common_buffer_size=1024
#工作线程读取tcp数据的缓存大小
worker_rcv_buffer_size=1024
#监听的端口
port=4399
#工作线程的数量
worker_num=1
#连接超时自动断开时间
timeout=900
#根目录
root=.

总结

Getty是我造的第二个小轮子，第一个是RedisHttpSession。都说不要重复造轮子。这话我是认同的，但是掌握一门技术最好的方法就是实践，在没有合适项目可以使用新技术的时候，造一个简单的轮子是不错的实践手段。

Getty 的缺点或者说还可以优化的点：

线程的使用直接用了Thread类，看起来有点low。等以后水平提升了再来抽象一下。
目前只有读事件是异步的，写事件是同步的。未来将写事件也改为异步的。