Scalable IO in Java
http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf
基本上所有的网络处理程序都有以下基本的处理过程:
Read request
Decode request
Process service
Encode reply
Send reply
Classic Service Designs
简单的代码实现：
class Server implements Runnable {
public void run() {
try {
ServerSocket ss = new ServerSocket(PORT);
while (!Thread.interrupted())
new Thread(new Handler(ss.accept())).start(); //创建新线程来handle
// or, single-threaded, or a thread pool
} catch (IOException ex) { /* ... */ }
}
static class Handler implements Runnable {
final Socket socket;
Handler(Socket s) { socket = s; }
public void run() {
try {
byte[] input = new byte[MAX_INPUT];
socket.getInputStream().read(input);
byte[] output = process(input);
socket.getOutputStream().write(output);
} catch (IOException ex) { /* ... */ }
}
private byte[] process(byte[] cmd) { /* ... */ }
}
}
对于每一个请求都分发给一个线程，每个线程中都独自处理上面的流程。
这种模型由于IO在阻塞时会一直等待，因此在用户负载增加时，性能下降的非常快。
server导致阻塞的原因：
1、serversocket的accept方法，阻塞等待client连接，直到client连接成功。
2、线程从socket inputstream读入数据，会进入阻塞状态，直到全部数据读完。
3、线程向socket outputstream写入数据，会阻塞直到全部数据写完。
client导致阻塞的原因：
1、client建立连接时会阻塞，直到连接成功。
2、线程从socket输入流读入数据，如果没有足够数据读完会进入阻塞状态，直到有数据或者读到输入流末尾。
3、线程从socket输出流写入数据，直到输出所有数据。
4、socket.setsolinger()设置socket的延迟时间，当socket关闭时，会进入阻塞状态，直到全部数据都发送完或者超时。
改进：采用基于事件驱动的设计，当有事件触发时，才会调用处理器进行数据处理。
Basic Reactor Design
代码实现：
class Reactor implements Runnable {
final Selector selector;
final ServerSocketChannel serverSocket;
Reactor(int port) throws IOException { //Reactor初始化
selector = Selector.open();
serverSocket = ServerSocketChannel.open();
serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
serverSocket.configureBlocking(false); //非阻塞
SelectionKey sk = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //分步处理,第一步,接收accept事件
sk.attach(new Acceptor()); //attach callback object, Acceptor
}
public void run() {
try {
while (!Thread.interrupted()) {
selector.select();
Set selected = selector.selectedKeys();
Iterator it = selected.iterator();
while (it.hasNext())
dispatch((SelectionKey)(it.next()); //Reactor负责dispatch收到的事件
selected.clear();
}
} catch (IOException ex) { /* ... */ }
}
void dispatch(SelectionKey k) {
Runnable r = (Runnable)(k.attachment()); //调用之前注册的callback对象
if (r != null)
r.run();
}
class Acceptor implements Runnable { // inner
public void run() {
try {
SocketChannel c = serverSocket.accept();
if (c != null)
new Handler(selector, c);
}
catch(IOException ex) { /* ... */ }
}
}
}
final class Handler implements Runnable {
final SocketChannel socket;
final SelectionKey sk;
ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(MAXIN);
ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(MAXOUT);
static final int READING = 0, SENDING = 1;
int state = READING;
Handler(Selector sel, SocketChannel c) throws IOException {
socket = c; c.configureBlocking(false);
// Optionally try first read now
sk = socket.register(sel, 0);
sk.attach(this); //将Handler作为callback对象
sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //第二步,接收Read事件
sel.wakeup();
}
boolean inputIsComplete() { /* ... */ }
boolean outputIsComplete() { /* ... */ }
void process() { /* ... */ }
public void run() {
try {
if (state == READING) read();
else if (state == SENDING) send();
} catch (IOException ex) { /* ... */ }
}
void read() throws IOException {
socket.read(input);
if (inputIsComplete()) {
process();
state = SENDING;
// Normally also do first write now
sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //第三步,接收write事件
}
}
void send() throws IOException {
socket.write(output);
if (outputIsComplete()) sk.cancel(); //write完就结束了, 关闭select key
}
}
//上面 的实现用Handler来同时处理Read和Write事件, 所以里面出现状态判断
//我们可以用State-Object pattern来更优雅的实现
class Handler { // ...
public void run() { // initial state is reader
socket.read(input);
if (inputIsComplete()) {
process();
sk.attach(new Sender()); //状态迁移, Read后变成write, 用Sender作为新的callback对象
sk.interest(SelectionKey.OP_WRITE);
sk.selector().wakeup();
}
}
class Sender implements Runnable {
public void run(){ // ...
socket.write(output);
if (outputIsComplete()) sk.cancel();
}
}
}
这里用到了Reactor模式。
关于Reactor模式的一些概念：
Reactor：负责响应IO事件，当检测到一个新的事件，将其发送给相应的Handler去处理。
Handler：负责处理非阻塞的行为，标识系统管理的资源；同时将handler与事件绑定。
Reactor为单个线程，需要处理accept连接，同时发送请求到处理器中。
由于只有单个线程，所以处理器中的业务需要能够快速处理完。
改进：使用多线程处理业务逻辑。
Worker Thread Pools
参考代码：
class Handler implements Runnable {
// uses util.concurrent thread pool
static PooledExecutor pool = new PooledExecutor(...);
static final int PROCESSING = 3;
// ...
synchronized void read() { // ...
socket.read(input);
if (inputIsComplete()) {
state = PROCESSING;
pool.execute(new Processer()); //使用线程pool异步执行
}
}
synchronized void processAndHandOff() {
process();
state = SENDING; // or rebind attachment
sk.interest(SelectionKey.OP_WRITE); //process完,开始等待write事件
}
class Processer implements Runnable {
public void run() { processAndHandOff(); }
}
}
将处理器的执行放入线程池，多线程进行业务处理。但Reactor仍为单个线程。
继续改进：对于多个CPU的机器，为充分利用系统资源，将Reactor拆分为两部分。
Using Multiple Reactors
参考代码：
Selector[] selectors; //subReactors集合, 一个selector代表一个subReactor
int next = 0;
class Acceptor { // ...
public synchronized void run() { ...
Socket connection = serverSocket.accept(); //主selector负责accept
if (connection != null)
new Handler(selectors[next], connection); //选个subReactor去负责接收到的connection
if (++next == selectors.length) next = 0;
}
}
mainReactor负责监听连接，accept连接给subReactor处理，为什么要单独分一个Reactor来处理监听呢？因为像TCP这样需要经过3次握手才能建立连接，这个建立连接的过程也是要耗时间和资源的，单独分一个Reactor来处理，可以提高性能。
参考：
http://www.cnblogs.com/fxjwind/p/3363329.html