JAVA NIO使用非阻塞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.

01 while(true) {
02 ....
03     Socket socket = null;
04     try {
05         // Accept the next incoming connection from the server
06         // socket
07         socket = serverSocketFactory.acceptSocket(serverSocket);
08     }
09 ...
10 ...
11     // Configure the socket
12     if (running && !paused && setSocketOptions(socket)) {
13         // Hand this socket off to an appropriate processor
14         if (!processSocket(socket)) {
15             countDownConnection();
16             // Close socket right away(socket);
17             closeSocket(socket);
18         }
19     }
20 ....
21 }

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:

01     protected boolean processSocket(Socket socket) {
02         // Process the request from this socket
03         try {
04             SocketWrapper<Socket> wrapper = new SocketWrapper<Socket>(socket);
05             wrapper.setKeepAliveLeft(getMaxKeepAliveRequests());
06             // During shutdown, executor may be null - avoid NPE
07             if (!running) {
08                 return false;
09             }
10             getExecutor().execute(new SocketProcessor(wrapper));
11         } catch (RejectedExecutionException x) {
12             log.warn("Socket processing request was rejected for:"+socket,x);
13             return false;
14         } catch (Throwable t) {
15             ExceptionUtils.handleThrowable(t);
16             // This means we got an OOM or similar creating a thread, or that
17             // the pool and its queue are full
18             log.error(sm.getString("endpoint.process.fail"), t);
19             return false;
20         }
21         return true;
22     }

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

001 public class EchoServer {
002     public static SelectorLoop connectionBell;
003     public static SelectorLoop readBell;
004     public boolean isReadBellRunning=false;
005
006     public static void main(String[] args) throws IOException {
007         new EchoServer().startServer();
008     }
009
010     // 启动服务器
011     public void startServer() throws IOException {
012         // 准备好一个闹钟.当有链接进来的时候响.
013         connectionBell = new SelectorLoop();
014
015         // 准备好一个闹装,当有read事件进来的时候响.
016         readBell = new SelectorLoop();
017
018         // 开启一个server channel来监听
019         ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
020         // 开启非阻塞模式
021         ssc.configureBlocking(false);
022
023         ServerSocket socket = ssc.socket();
024         socket.bind(new InetSocketAddress("localhost",7878));
025
026         // 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.
027         ssc.register(connectionBell.getSelector(), SelectionKey.OP_ACCEPT);
028         new Thread(connectionBell).start();
029     }
030
031     // Selector轮询线程类
032     public class SelectorLoop implements Runnable {
033         private Selector selector;
034         private ByteBuffer temp = ByteBuffer.allocate(1024);
035
036         public SelectorLoop() throws IOException {
037             this.selector = Selector.open();
038         }
039
040         public Selector getSelector() {
041             return this.selector;
042         }
043
044         @Override
045         public void run() {
046             while(true) {
047                 try {
048                     // 阻塞,只有当至少一个注册的事件发生的时候才会继续.
049                     this.selector.select();
050
051                     Set<SelectionKey> selectKeys = this.selector.selectedKeys();
052                     Iterator<SelectionKey> it = selectKeys.iterator();
053                     while (it.hasNext()) {
054                         SelectionKey key = it.next();
055                         it.remove();
056                         // 处理事件. 可以用多线程来处理.
057                         this.dispatch(key);
058                     }
059                 } catch (IOException e) {
060                     e.printStackTrace();
061                 } catch (InterruptedException e) {
062                     e.printStackTrace();
063                 }
064             }
065         }
066
067         public void dispatch(SelectionKey key) throws IOException, InterruptedException {
068             if (key.isAcceptable()) {
069                 // 这是一个connection accept事件, 并且这个事件是注册在serversocketchannel上的.
070                 ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
071                 // 接受一个连接.
072                 SocketChannel sc = ssc.accept();
073
074                 // 对新的连接的channel注册read事件. 使用readBell闹钟.
075                 sc.configureBlocking(false);
076                 sc.register(readBell.getSelector(), SelectionKey.OP_READ);
077
078                 // 如果读取线程还没有启动,那就启动一个读取线程.
079                 synchronized(EchoServer.this) {
080                     if (!EchoServer.this.isReadBellRunning) {
081                         EchoServer.this.isReadBellRunning = true;
082                         new Thread(readBell).start();
083                     }
084                 }
085
086             } else if (key.isReadable()) {
087                 // 这是一个read事件,并且这个事件是注册在socketchannel上的.
088                 SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
089                 // 写数据到buffer
090                 int count = sc.read(temp);
091                 if (count < 0) {
092                     // 客户端已经断开连接.
093                     key.cancel();
094                     sc.close();
095                     return;
096                 }
097                 // 切换buffer到读状态,内部指针归位.
098                 temp.flip();
099                 String msg = Charset.forName("UTF-8").decode(temp).toString();
100                 System.out.println("Server received ["+msg+"] from client address:" + sc.getRemoteAddress());
101
102                 Thread.sleep(1000);
103                 // echo back.
104                 sc.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"))));
105
106                 // 清空buffer
107                 temp.clear();
108             }
109         }
110
111     }
112
113 }

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.

001 public class Client implements Runnable {
002     // 空闲计数器,如果空闲超过10次,将检测server是否中断连接.
003     private static int idleCounter = 0;
004     private Selector selector;
005     private SocketChannel socketChannel;
006     private ByteBuffer temp = ByteBuffer.allocate(1024);
007
008     public static void main(String[] args) throws IOException {
009         Client client= new Client();
010         new Thread(client).start();
011         //client.sendFirstMsg();
012     }
013
014     public Client() throws IOException {
015         // 同样的,注册闹钟.
016         this.selector = Selector.open();
017
018         // 连接远程server
019         socketChannel = SocketChannel.open();
020         // 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.
021         Boolean isConnected = socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 7878));
022         socketChannel.configureBlocking(false);
023         SelectionKey key = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
024
025         if (isConnected) {
026             this.sendFirstMsg();
027         } else {
028             // 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.
029             key.interestOps(SelectionKey.OP_CONNECT);
030         }
031     }
032
033     public void sendFirstMsg() throws IOException {
034         String msg = "Hello NIO.";
035         socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"))));
036     }
037
038     @Override
039     public void run() {
040         while (true) {
041             try {
042                 // 阻塞,等待事件发生,或者1秒超时. num为发生事件的数量.
043                 int num = this.selector.select(1000);
044                 if (num ==0) {
045                     idleCounter ++;
046                     if(idleCounter >10) {
047                         // 如果server断开了连接,发送消息将失败.
048                         try {
049                             this.sendFirstMsg();
050                         } catch(ClosedChannelException e) {
051                             e.printStackTrace();
052                             this.socketChannel.close();
053                             return;
054                         }
055                     }
056                     continue;
057                 } else {
058                     idleCounter = 0;
059                 }
060                 Set<SelectionKey> keys = this.selector.selectedKeys();
061                 Iterator<SelectionKey> it = keys.iterator();
062                 while (it.hasNext()) {
063                     SelectionKey key = it.next();
064                     it.remove();
065                     if (key.isConnectable()) {
066                         // socket connected
067                         SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
068                         if (sc.isConnectionPending()) {
069                             sc.finishConnect();
070                         }
071                         // send first message;
072                         this.sendFirstMsg();
073                     }
074                     if (key.isReadable()) {
075                         // msg received.
076                         SocketChannel sc = (SocketChannel)key.channel();
077                         this.temp = ByteBuffer.allocate(1024);
078                         int count = sc.read(temp);
079                         if (count<0) {
080                             sc.close();
081                             continue;
082                         }
083                         // 切换buffer到读状态,内部指针归位.
084                         temp.flip();
085                         String msg = Charset.forName("UTF-8").decode(temp).toString();
086                         System.out.println("Client received ["+msg+"] from server address:" + sc.getRemoteAddress());
087
088                         Thread.sleep(1000);
089                         // echo back.
090                         sc.write(ByteBuffer.wrap(msg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"))));
091
092                         // 清空buffer
093                         temp.clear();
094                     }
095                 }
096             } catch (IOException e) {
097                 e.printStackTrace();
098             } catch (InterruptedException e) {
099                 e.printStackTrace();
100             }
101         }
102     }
103
104 }

   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.