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使用JavaNIO編寫(xiě)高性能的服務(wù)器

從JDK 1.4開(kāi)始，Java的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中就包含了NIO，即所謂的“New IO”。其中最重要的功能就是提供了“非阻塞”的IO，當(dāng)然包括了Socket。NonBlocking的IO就是對(duì)select(Unix平臺(tái)下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平臺(tái))的封裝，提供了高性能、易伸縮的服務(wù)架構(gòu)。

說(shuō)來(lái)慚愧，直到JDK1.4才有這種功能，但遲到者不一定沒(méi)有螃蟹吃，NIO就提供了優(yōu)秀的面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案，可以很方便地編寫(xiě)高性能的服務(wù)器。

話(huà)說(shuō)回來(lái)，傳統(tǒng)的Server/Client實(shí)現(xiàn)是基于Thread per request，即服務(wù)器為每個(gè)客戶(hù)端請(qǐng)求建立一個(gè)線(xiàn)程處理，單獨(dú)負(fù)責(zé)處理一個(gè)客戶(hù)的請(qǐng)求。比如像Tomcat(新版本也會(huì)提供NIO方案)、Resin等Web服務(wù)器就是這樣實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然為了減少瞬間峰值問(wèn)題，服務(wù)器一般都使用線(xiàn)程池，規(guī)定了同時(shí)并發(fā)的最大數(shù)量，避免了線(xiàn)程的無(wú)限增長(zhǎng)。

但這樣有一個(gè)問(wèn)題：如果線(xiàn)程池的大小為100，當(dāng)有100個(gè)用戶(hù)同時(shí)通過(guò)HTTP現(xiàn)在一個(gè)大文件時(shí)，服務(wù)器的線(xiàn)程池會(huì)用完，因?yàn)樗械木€(xiàn)程都在傳輸大文件了，即使第101個(gè)請(qǐng)求者僅僅請(qǐng)求一個(gè)只有10字節(jié)的頁(yè)面，服務(wù)器也無(wú)法響應(yīng)了，只有等到線(xiàn)程池中有空閑的線(xiàn)程出現(xiàn)。

另外，線(xiàn)程的開(kāi)銷(xiāo)也是很大的，特別是達(dá)到了一個(gè)臨界值后，性能會(huì)顯著下降，這也限制了傳統(tǒng)的Socket方案無(wú)法應(yīng)對(duì)并發(fā)量大的場(chǎng)合，而“非阻塞”的IO就能輕松解決這個(gè)問(wèn)題。

下面只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：服務(wù)器提供了下載大型文件的功能，客戶(hù)端連接上服務(wù)器的12345端口后，就可以讀取服務(wù)器發(fā)送的文件內(nèi)容信息了。注意這里的服務(wù)器只有一個(gè)主線(xiàn)程，沒(méi)有其他任何派生線(xiàn)程，讓我們看看NIO是如何用一個(gè)線(xiàn)程處理N個(gè)請(qǐng)求的。

NIO服務(wù)器最核心的一點(diǎn)就是反應(yīng)器模式：當(dāng)有感興趣的事件發(fā)生的，就通知對(duì)應(yīng)的事件處理器去處理這個(gè)事件，如果沒(méi)有，則不處理。所以使用一個(gè)線(xiàn)程做輪詢(xún)就可以了。當(dāng)然這里這是個(gè)例子，如果要獲得更高性能，可以使用少量的線(xiàn)程，一個(gè)負(fù)責(zé)接收請(qǐng)求，其他的負(fù)責(zé)處理請(qǐng)求，特別是對(duì)于多CPU時(shí)效率會(huì)更高。

關(guān)于使用NIO過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，最為普遍的就是為什么沒(méi)有請(qǐng)求時(shí)CPU的占用率為100%?出現(xiàn)這種問(wèn)題的主要原因是注冊(cè)了不感興趣的事件，比如如果沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)到客戶(hù)端，而又注冊(cè)了寫(xiě)事件(OP_WRITE)，則在 Selector.select()上就會(huì)始終有事件出現(xiàn)，CPU就一直處理了，而此時(shí)select()應(yīng)該是阻塞的。

另外一個(gè)值得注意的問(wèn)題是：由于只使用了一個(gè)線(xiàn)程(多個(gè)線(xiàn)程也如此)處理用戶(hù)請(qǐng)求，所以要避免線(xiàn)程被阻塞，解決方法是事件的處理者必須要即刻返回，不能陷入循環(huán)中，否則會(huì)影響其他用戶(hù)的請(qǐng)求速度。

具體到本例子中，由于文件比較大，如果一次性發(fā)送整個(gè)文件(這里的一次性不是指send整個(gè)文件內(nèi)容，而是通過(guò)while循環(huán)不間斷的發(fā)送分組包)，則主線(xiàn)程就會(huì)阻塞，其他用戶(hù)就不能響應(yīng)了。這里的解決方法是當(dāng)有WRITE事件時(shí)，僅僅是發(fā)送一個(gè)塊(比如4K字節(jié))。發(fā)完后，繼續(xù)等待WRITE事件出現(xiàn)，依次處理，直到整個(gè)文件發(fā)送完畢，這樣就不會(huì)阻塞其他用戶(hù)了。

服務(wù)器的例子：

 
 
 
    
  
  
  
  1. package nio.file;    
    2. 
  
  
  
  2. import java.io.FileInputStream;    
    3. 
  
  
  
  3. import java.io.IOException;    
    4. 
  
  
  
  4. import java.net.InetSocketAddress;    
    5. 
  
  
  
  5. import java.nio.ByteBuffer;    
    6. 
  
  
  
  6. import java.nio.CharBuffer;     
    7. 
  
  
  
  7. import java.nio.channels.FileChannel;    
    8. 
  
  
  
  8. import java.nio.channels.SelectionKey;    
    9. 
  
  
  
  9. import java.nio.channels.Selector;    
    10. 
  
  
  
  10. import java.nio.channels.ServerSocketChannel;    
    11. 
  
  
  
  11. import java.nio.channels.SocketChannel;    
    12. 
  
  
  
  12. import java.nio.charset.Charset;    
    13. 
  
  
  
  13. import java.nio.charset.CharsetDecoder;    
    14. 
  
  
  
  14. import java.util.Iterator;     
    15. 
  
  
  
  15. /**    
    16. 
  
  
  
  16. * 測(cè)試文件下載的NIOServer    
    17. 
  
  
  
  17. *    
    18. 
  
  
  
  18. * @author tenyears.cn    
    19. 
  
  
  
  19. */   
    20. 
  
  
  
  20. public class NIOServer {     
    21. 
  
  
  
  21. static int BLOCK = 4096;     
    22. 
  
  
  
  22. // 處理與客戶(hù)端的交互    
    23. 
  
  
  
  23. public class HandleClient {    
    24. 
  
  
  
  24. protected FileChannel channel;     
    25. 
  
  
  
  25. protected ByteBuffer buffer;    
    26. 
  
  
  
  26. public HandleClient() throws IOException {    
    27. 
  
  
  
  27. this.channel = new FileInputStream(filename).getChannel();     
    28. 
  
  
  
  28. this.buffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);     
    29. 
  
  
  
  29. }     
    30. 
  
  
  
  30. public ByteBuffer readBlock() {    
    31. 
  
  
  
  31. try {    
    32. 
  
  
  
  32. buffer.clear();     
    33. 
  
  
  
  33. int count = channel.read(buffer);     
    34. 
  
  
  
  34. buffer.flip();     
    35. 
  
  
  
  35. if (count <= 0)     
    36. 
  
  
  
  36. return null;     
    37. 
  
  
  
  37. } catch (IOException e) {    
    38. 
  
  
  
  38. e.printStackTrace();     
    39. 
  
  
  
  39. }    
    40. 
  
  
  
  40. return buffer;     
    41. 
  
  
  
  41. }    
    42. 
  
  
  
  42. public void close() {    
    43. 
  
  
  
  43. try {    
    44. 
  
  
  
  44. channel.close();    
    45. 
  
  
  
  45. } catch (IOException e) {     
    46. 
  
  
  
  46. e.printStackTrace();    
    47. 
  
  
  
  47. }    
    48. 
  
  
  
  48. }    
    49. 
  
  
  
  49. }     
    50. 
  
  
  
  50. protected Selector selector;     
    51. 
  
  
  
  51. protected String filename = "d:\\bigfile.dat"; // a big file     
    52. 
  
  
  
  52. protected ByteBuffer clientBuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);    
    53. 
  
  
  
  53. protected CharsetDecoder decoder;    
    54. 
  
  
  
  54. public NIOServer(int port) throws IOException {    
    55. 
  
  
  
  55. selector = this.getSelector(port);    
    56. 
  
  
  
  56. Charset charset = Charset.forName("GB2312");     
    57. 
  
  
  
  57. decoder = charset.newDecoder();     
    58. 
  
  
  
  58. }    
    59. 
  
  
  
  59. // 獲取Selector    
    60. 
  
  
  
  60. protected Selector getSelector(int port) throws IOException {    
    61. 
  
  
  
  61. ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();    
    62. 
  
  
  
  62. Selector sel = Selector.open();    
    63. 
  
  
  
  63. server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));    
    64. 
  
  
  
  64. server.configureBlocking(false);    
    65. 
  
  
  
  65. server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);    
    66. 
  
  
  
  66. return sel;     
    67. 
  
  
  
  67. }     
    68. 
  
  
  
  68. // 監(jiān)聽(tīng)端口    
    69. 
  
  
  
  69. public void listen() {    
    70. 
  
  
  
  70. try {    
    71. 
  
  
  
  71. for (;;) {    
    72. 
  
  
  
  72. selector.select();    
    73. 
  
  
  
  73. Iterator iter = selector.selectedKeys()    
    74. 
  
  
  
  74. .iterator();    
    75. 
  
  
  
  75. while (iter.hasNext()) {    
    76. 
  
  
  
  76. SelectionKey key = iter.next();    
    77. 
  
  
  
  77. iter.remove();    
    78. 
  
  
  
  78. handleKey(key);    
    79. 
  
  
  
  79. }    
    80. 
  
  
  
  80. }    
    81. 
  
  
  
  81. } catch (IOException e) {    
    82. 
  
  
  
  82. e.printStackTrace();     
    83. 
  
  
  
  83. }     
    84. 
  
  
  
  84. }     
    85. 
  
  
  
  85. // 處理事件     
    86. 
  
  
  
  86. protected void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {    
    87. 
  
  
  
  87. if (key.isAcceptable()) { // 接收請(qǐng)求    
    88. 
  
  
  
  88. ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();    
    89. 
  
  
  
  89. SocketChannel channel = server.accept();    
    90. 
  
  
  
  90. channel.configureBlocking(false);     
    91. 
  
  
  
  91. channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);     
    92. 
  
  
  
  92. } else if (key.isReadable()) { // 讀信息     
    93. 
  
  
  
  93. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();     
    94. 
  
  
  
  94. int count = channel.read(clientBuffer);    
    95. 
  
  
  
  95. if (count > 0) {    
    96. 
  
  
  
  96. clientBuffer.flip();    
    97. 
  
  
  
  97. CharBuffer charBuffer = decoder.decode(clientBuffer);    
    98. 
  
  
  
  98. System.out.println("Client >>" + charBuffer.toString());     
    99. 
  
  
  
  99. SelectionKey wKey = channel.register(selector,     
    100. 
  
  
  
  100. SelectionKey.OP_WRITE);     
    101. 
  
  
  
  101. wKey.attach(new HandleClient());     
    102. 
  
  
  
  102. } else   
    103. 
  
  
  
  103. channel.close();     
    104. 
  
  
  
  104. clientBuffer.clear();    
    105. 
  
  
  
  105. } else if (key.isWritable()) { // 寫(xiě)事件    
    106. 
  
  
  
  106. SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();    
    107. 
  
  
  
  107. HandleClient handle = (HandleClient) key.attachment();     
    108. 
  
  
  
  108. ByteBuffer block = handle.readBlock();     
    109. 
  
  
  
  109. if (block != null)     
    110. 
  
  
  
  110. channel.write(block);    
    111. 
  
  
  
  111. else {    
    112. 
  
  
  
  112. handle.close();    
    113. 
  
  
  
  113. channel.close();     
    114. 
  
  
  
  114. }    
    115. 
  
  
  
  115. }     
    116. 
  
  
  
  116. }    
    117. 
  
  
  
  117. public static void main(String[] args) {    
    118. 
  
  
  
  118. int port = 12345;    
    119. 
  
  
  
  119. try {    
    120. 
  
  
  
  120. NIOServer server = new NIOServer(port);    
    121. 
  
  
  
  121. System.out.println("Listernint on " + port);    
    122. 
  
  
  
  122. while (true) {    
    123. 
  
  
  
  123. server.listen();    
    124. 
  
  
  
  124. }    
    125. 
  
  
  
  125. } catch (IOException e) {     
    126. 
  
  
  
  126. e.printStackTrace();     
    127. 
  
  
  
  127. }     
    128. 
  
  
  
  128. }    
    129. 
  
  
  
  129. }   
    130.

該代碼中，通過(guò)一個(gè)HandleClient來(lái)獲取文件的一塊數(shù)據(jù)，每一個(gè)客戶(hù)都會(huì)分配一個(gè)HandleClient的實(shí)例。

下面是客戶(hù)端請(qǐng)求的代碼，也比較簡(jiǎn)單，模擬100個(gè)用戶(hù)同時(shí)下載文件。

 
 
 
    
  
  
  
  1. package nio.file;    
    2. 
  
  
  
  2. import java.io.IOException;    
    3. 
  
  
  
  3. import java.net.InetSocketAddress;     
    4. 
  
  
  
  4. import java.nio.ByteBuffer;     
    5. 
  
  
  
  5. import java.nio.CharBuffer;     
    6. 
  
  
  
  6. import java.nio.channels.SelectionKey;    
    7. 
  
  
  
  7. import java.nio.channels.Selector;     
    8. 
  
  
  
  8. import java.nio.channels.SocketChannel;     
    9. 
  
  
  
  9. import java.nio.charset.Charset;     
    10. 
  
  
  
  10. import java.nio.charset.CharsetEncoder;     
    11. 
  
  
  
  11. import java.util.Iterator;    
    12. 
  
  
  
  12. import java.util.concurrent.ExecutorService;     
    13. 
  
  
  
  13. import java.util.concurrent.Executors;     
    14. 
  
  
  
  14. /**     
    15. 
  
  
  
  15. * 文件下載客戶(hù)端     
    16. 
  
  
  
  16. * @author tenyears.cn    
    17. 
  
  
  
  17. */    
    18. 
  
  
  
  18. public class NIOClient {     
    19. 
  
  
  
  19. static int SIZE = 100;     
    20. 
  
  
  
  20. static InetSocketAddress ip = new InetSocketAddress("localhost",12345);     
    21. 
  
  
  
  21. static CharsetEncoder encoder = Charset.forName("GB2312").newEncoder();    
    22. 
  
  
  
  22. static class Download implements Runnable {     
    23. 
  
  
  
  23. protected int index;     
    24. 
  
  
  
  24. public Download(int index) {     
    25. 
  
  
  
  25. this.index = index;     
    26. 
  
  
  
  26. }     
    27. 
  
  
  
  27. public void run() {     
    28. 
  
  
  
  28. try {     
    29. 
  
  
  
  29. long start = System.currentTimeMillis();     
    30. 
  
  
  
  30. SocketChannel client = SocketChannel.open();    
    31. 
  
  
  
  31. client.configureBlocking(false);    
    32. 
  
  
  
  32. Selector selector = Selector.open();     
    33. 
  
  
  
  33. client.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);     
    34. 
  
  
  
  34. client.connect(ip);    
    35. 
  
  
  
  35. ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8 * 1024);    
    36. 
  
  
  
  36. int total = 0;    
    37. 
  
  
  
  37. FOR: for (;;) {     
    38. 
  
  
  
  38. selector.select();     
    39. 
  
  
  
  39. Iterator iter = selector.selectedKeys()     
    40. 
  
  
  
  40. .iterator();     
    41. 
  
  
  
  41. while (iter.hasNext()) {     
    42. 
  
  
  
  42. SelectionKey key = iter.next();    
    43. 
  
  
  
  43. iter.remove();    
    44. 
  
  
  
  44. if (key.isConnectable()) {    
    45. 
  
  
  
  45. SocketChannel channel = (SocketChannel) key    
    46. 
  
  
  
  46. .channel();     
    47. 
  
  
  
  47. if (channel.isConnectionPending())    
    48. 
  
  
  
  48. channel.finishConnect();    
    49. 
  
  
  
  49. channel.write(encoder.encode(CharBuffer    
    50. 
  
  
  
  50. .wrap("Hello from " + index)));    
    51. 
  
  
  
  51. channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);     
    52. 
  
  
  
  52. } else if (key.isReadable()) {     
    53. 
  
  
  
  53. SocketChannel channel = (SocketChannel) key     
    54. 
  
  
  
  54. .channel();    
    55. 
  
  
  
  55. int count = channel.read(buffer);    
    56. 
  
  
  
  56. if (count > 0) {     
    57. 
  
  
  
  57. total += count;     
    58. 
  
  
  
  58. buffer.clear();    
    59. 
  
  
  
  59. } else {     
    60. 
  
  
  
  60. client.close();     
    61. 
  
  
  
  61. break FOR;     
    62. 
  
  
  
  62. }     
    63. 
  
  
  
  63. }    
    64. 
  
  
  
  64. }     
    65. 
  
  
  
  65. }     
    66. 
  
  
  
  66. double last = (System.currentTimeMillis() - start) * 1.0 / 1000;    
    67. 
  
  
  
  67. System.out.println("Thread " + index + " downloaded " + total     
    68. 
  
  
  
  68. + "bytes in " + last + "s.");     
    69. 
  
  
  
  69. } catch (IOException e) {     
    70. 
  
  
  
  70. e.printStackTrace();     
    71. 
  
  
  
  71. }     
    72. 
  
  
  
  72. }    
    73. 
  
  
  
  73. }    
    74. 
  
  
  
  74. public static void main(String[] args) throws IOException {    
    75. 
  
  
  
  75. ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(SIZE);     
    76. 
  
  
  
  76. for (int index = 0; index < SIZE; index++) {    
    77. 
  
  
  
  77. exec.execute(new Download(index));     
    78. 
  
  
  
  78. }     
    79. 
  
  
  
  79. exec.shutdown();    
    80. 
  
  
  
  80. }     
    81. 
  
  
  
  81. }  
    82.

操作系統(tǒng)的API epoll, select， NonBlocking的IO就是對(duì)select(Unix平臺(tái)下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平臺(tái))的封裝，是OS級(jí)別下的支持。

責(zé)任編輯：金賀
來(lái)源： JavaEye博客 Java NIO


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