JAVA NIO non-blocking模式实现高并发服务器

Java自1.4以后,加入了新IO特性,NIO. 号称new IO. NIO带来了non-blocking特性. 这篇文章主要讲的是如何使用NIO的网络新特性,来构建高性能非阻塞并发服务器.

文章基于个人理解,我也来搞搞NIO.,求指正.

在NIO之前

服务器还是在使用阻塞式的java socket. 以Tomcat最新版本没有开启NIO模式的源码为例, tomcat会accept出来一个socket连接,然后调用processSocket方法来处理socket.

while(true) {
....
    Socket socket = null;
    try {
        // Accept the next incoming connection from the server
        // socket
        socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);
    }
...
...
    // Configure the socket
    if (running && !paused && setSocketOptions(socket)) {
        // Hand this socket off to an appropriate processor
        if (!processSocket(socket)) {
            countDownConnection();
            // Close socket right away(socket);
            closeSocket(socket);
        }
    }
....
}

使用ServerSocket.accept()方法来创建一个连接. accept方法是阻塞方法,在下一个connection进来之前,accept会阻塞.

在一个socket进来之后,Tomcat会在thread pool里面拿出一个thread来处理连接的socket. 然后自己快速的脱身去接受下一个socket连接. 代码如下:

    protected boolean processSocket(Socket socket) {
        // Process the request from this socket
        try {
            SocketWrapper<Socket> wrapper = new SocketWrapper<Socket>(socket);
            wrapper.setKeepAliveLeft(getMaxKeepAliveRequests());
            // During shutdown, executor may be null - avoid NPE
            if (!running) {
                return false;
            }
            getExecutor().execute(new SocketProcessor(wrapper));
        } catch (RejectedExecutionException x) {
            log.warn("Socket processing request was rejected for:"+socket,x);
            return false;
        } catch (Throwable t) {
            ExceptionUtils.handleThrowable(t);
            // This means we got an OOM or similar creating a thread, or that
            // the pool and its queue are full
            log.error(sm.getString("endpoint.process.fail"), t);
            return false;
        }
        return true;
    }

而每个处理socket的线程,也总是会阻塞在while(true) sockek.getInputStream().read() 方法上. 

总结就是, 一个socket必须使用一个线程来处理. 致使服务器需要维护比较多的线程. 线程本身就是一个消耗资源的东西,并且每个处理socket的线程都会阻塞在read方法上,使得系统大量资源被浪费.

以上这种socket的服务方式适用于HTTP服务器,每个http请求都是短期的,无状态的,并且http后台的业务逻辑也一般比较复杂. 使用多线程和阻塞方式是合适的.

倘若是做游戏服务器,尤其是CS架构的游戏.这种传统模式服务器毫无胜算.游戏有以下几个特点是传统服务器不能胜任的:
1, 持久TCP连接. 每一个client和server之间都存在一个持久的连接.当CCU(并发用户数量)上升,阻塞式服务器无法为每一个连接运行一个线程.
2, 自己开发的二进制流传输协议. 游戏服务器讲究响应快.那网络传输也要节省时间. HTTP协议的冗余内容太多,一个好的游戏服务器传输协议,可以使得message压缩到3-6倍甚至以上.这就使得游戏服务器要开发自己的协议解析器.
3, 传输双向,且消息传输频率高.假设一个游戏服务器instance连接了2000个client,每个client平均每秒钟传输1-10个message,一个message大约几百字节或者几千字节.而server也需要向client广播其他玩家的当前信息.这使得服务器需要有高速处理消息的能力.
4, CS架构的游戏服务器端的逻辑并不像APP服务器端的逻辑那么复杂. 网络游戏在client端处理了大部分逻辑,server端负责简单逻辑,甚至只是传递消息.

在Java NIO出现以后

出现了使用NIO写的非阻塞网络引擎,比如Apache Mina, JBoss Netty, Smartfoxserver BitSwarm. 比较起来, Mina的性能不如后两者.Tomcat也存在NIO模式,不过需要人工开启.

首先要说明一下, 与App Server的servlet开发模式不一样, 在Mina, Netty和BitSwarm上开发应用程序都是Event Driven的设计模式.Server端会收到Client端的event,Client也会收到Server端的event,Server端与Client端的都要注册各种event的EventHandler来handle event.

用大白话来解释NIO:
1, Buffers, 网络传输字节存放的地方.无论是从channel中取,还是向channel中写,都必须以Buffers作为中间存贮格式.
2, Socket Channels. Channel是网络连接和buffer之间的数据通道.每个连接一个channel.就像之前的socket的stream一样.
3, Selector. 像一个巡警,在一个片区里面不停的巡逻. 一旦发现事件发生,立刻将事件select出来.不过这些事件必须是提前注册在selector上的. select出来的事件打包成SelectionKey.里面包含了事件的发生事件,地点,人物. 如果警察不巡逻,每个街道(socket)分配一个警察(thread),那么一个片区有几条街道,就需要几个警察.但现在警察巡逻了,一个巡警(selector)可以管理所有的片区里面的街道(socketchannel).

以上把警察比作线程,街道比作socket或socketchannel,街道上发生的一切比作stream.把巡警比作selector,引起巡警注意的事件比作selectionKey.

从上可以看出,使用NIO可以使用一个线程,就能维护多个持久TCP连接.

NIO实例

下面给出NIO编写的EchoServer和Client. Client连接server以后,将发送一条消息给server. Server会原封不懂的把消息发送回来.Client再把消息发送回去.Server再发回来.用不休止. 在性能的允许下,Client可以启动任意多.

以下Code涵盖了NIO里面最常用的方法和连接断开诊断.注释也全.

首先是Server的实现. Server端启动了2个线程,connectionBell线程用于巡逻新的连接事件. readBell线程用于读取所有channel的数据. 注解: Mina采取了同样的做法,只是readBell线程启动的个数等于处理器个数+1. 由此可见,NIO只需要少量的几个线程就可以维持非常多的并发持久连接.

每当事件发生,会调用dispatch方法去处理event. 一般情况,会使用一个ThreadPool来处理event. ThreadPool的大小可以自定义.但不是越大越好.如果处理event的逻辑比较复杂,比如需要额外网络连接或者复杂数据库查询,那ThreadPool就需要稍微大些.(猜测)Smartfoxserver处理上万的并发,也只用到了3-4个线程来dispatch event.

EchoServer

public class EchoServer {
	public static SelectorLoop connectionBell;
	public static SelectorLoop readBell;
	public boolean isReadBellRunning=false;

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		new EchoServer().startServer();
	}
	
	// 启动服务器
	public void startServer() throws IOException {
		// 准备好一个闹钟.当有链接进来的时候响.
		connectionBell = new SelectorLoop();
		
		// 准备好一个闹装,当有read事件进来的时候响.
		readBell = new SelectorLoop();
		
		// 开启一个server channel来监听
		ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
		// 开启非阻塞模式
		ssc.configureBlocking(false);
		
		ServerSocket socket = ssc.socket();
		socket.bind(new InetSocketAddress("localhost",7878));
		
		// 给闹钟规定好要监听报告的事件,这个闹钟只监听新连接事件.
		ssc.register(connectionBell.getSelector(), SelectionKey.OP_ACCEPT);
		new Thread(connectionBell).start();
	}
	
	// Selector轮询线程类
	public class SelectorLoop implements Runnable {
		private Selector selector;
		private ByteBuffer temp = ByteBuffer.allocate(1024);
		
		public SelectorLoop() throws IOException {
			this.selector = Selector.open();
		}
		
		public Selector getSelector() {
			return this.selector;
		}

		@Override
		public void run() {
			while(true) {
				try {
				    // 阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
					this.selector.select();
					
					Set<SelectionKey> selectKeys = this.selector.selectedKeys();
					Iterator<SelectionKey> it = selectKeys.iterator();
					while (it.hasNext()) {
						SelectionKey key = it.next();
						it.remove();
						// 处理事件. 可以用多线程来处理.
						this.dispatch(key);
					}
				} catch (IOException e) {
					e.printStackTrace();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
			}
		}
		
		public void dispatch(SelectionKey key) throws IOException, InterruptedException {
			if (key.isAcceptable()) {
				// 这是一个connection accept事件, 并且这个事件是注册在serversocketchannel上的.
				ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
				// 接受一个连接.
				SocketChannel sc = ssc.accept();
				
				// 对新的连接的channel注册read事件. 使用readBell闹钟.
				sc.configureBlocking(false);
				sc.register(readBell.getSelector(), SelectionKey.OP_READ);
				
				// 如果读取线程还没有启动,那就启动一个读取线程.
				synchronized(EchoServer.this) {
					if (!EchoServer.this.isReadBellRunning) {
						EchoServer.this.isReadBellRunning = true;
						new Thread(readBell).start();
					}
				}
				
			} else if (key.isReadable()) {
				// 这是一个read事件,并且这个事件是注册在socketchannel上的.
				SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
				// 写数据到buffer
				int count = sc.read(temp);
				if (count < 0) {
					// 客户端已经断开连接.
					key.cancel();
					sc.close();
					return;
				}
				// 切换buffer到读状态,内部指针归位.
				temp.flip();
				String msg = Charset.forName("UTF-8").decode(temp).toString();
				System.out.println("Server received ["+msg+"] from client address:" + sc.getRemoteAddress());
				
				Thread.sleep(1000);
				// echo back.
				sc.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"))));
				
				// 清空buffer
				temp.clear();
			}
		}
		
	}

}

接下来就是Client的实现.Client可以用传统IO,也可以使用NIO.这个例子使用的NIO,单线程.

public class Client implements Runnable {
	// 空闲计数器,如果空闲超过10次,将检测server是否中断连接.
	private static int idleCounter = 0;
	private Selector selector;
	private SocketChannel socketChannel;
	private ByteBuffer temp = ByteBuffer.allocate(1024);

	public static void main(String[] args) throws IOException {
		Client client= new Client();
		new Thread(client).start();
		//client.sendFirstMsg();
	}
	
	public Client() throws IOException {
		// 同样的,注册闹钟.
		this.selector = Selector.open();
		
		// 连接远程server
		socketChannel = SocketChannel.open();
		// 如果快速的建立了连接,返回true.如果没有建立,则返回false,并在连接后出发Connect事件.
		Boolean isConnected = socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7878));
		socketChannel.configureBlocking(false);
		SelectionKey key = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
		
		if (isConnected) {
			this.sendFirstMsg();
		} else {
			// 如果连接还在尝试中,则注册connect事件的监听. connect成功以后会出发connect事件.
		    key.interestOps(SelectionKey.OP_CONNECT);
		}
	}
	
	public void sendFirstMsg() throws IOException {
		String msg = "Hello NIO.";
		socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"))));
	}

	@Override
	public void run() {
        while (true) {
			try {
				// 阻塞,等待事件发生,或者1秒超时. num为发生事件的数量.
				int num = this.selector.select(1000);
				if (num ==0) {
					idleCounter ++;
					if(idleCounter >10) {
						// 如果server断开了连接,发送消息将失败.
						try {
						    this.sendFirstMsg();
						} catch(ClosedChannelException e) {
							e.printStackTrace();
							this.socketChannel.close();
							return;
						}
					}
					continue;
				} else {
					idleCounter = 0;
				}
				Set<SelectionKey> keys = this.selector.selectedKeys();
				Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
				while (it.hasNext()) {
					SelectionKey key = it.next();
					it.remove();
					if (key.isConnectable()) {
						// socket connected
						SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
						if (sc.isConnectionPending()) {
						    sc.finishConnect();
						}
						// send first message;
						this.sendFirstMsg();
					}
					if (key.isReadable()) {
						// msg received.
						SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
						this.temp = ByteBuffer.allocate(1024);
						int count = sc.read(temp);
						if (count<0) {
							sc.close();
							continue;
						}
						// 切换buffer到读状态,内部指针归位.
						temp.flip();
						String msg = Charset.forName("UTF-8").decode(temp).toString();
						System.out.println("Client received ["+msg+"] from server address:" + sc.getRemoteAddress());
						
						Thread.sleep(1000);
						// echo back.
						sc.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"))));
						
						// 清空buffer
						temp.clear();
					}
				}
			} catch (IOException e) {
				e.printStackTrace();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

}

下载以后黏贴到eclipse中, 先运行EchoServer,然后可以运行任意多的Client. 停止Server和client的方式就是直接terminate server.