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通过观察者模式和Reactor模式深入理解JAVA NIO 线程

hefeiuu
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发布于 2017/05/04 20:29
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Java NIO非堵塞应用通常适用用在I/O读写等方面,我们知道,系统运行的性能瓶颈通常在I/O读写,包括对端口和文件的操作上,过去,在打 开一个I/O通道后,read()将一直等待在端口一边读取字节内容,如果没有内容进来,read()也是傻傻的等,这会影响我们程序继续做其他事情,那 么改进做法就是开设线程,让线程去等待,但是这样做也是相当耗费资源(传统socket通讯服务器设计模式) 的。

Java NIO非堵塞技术实际是采取Reactor模式,或者说是Observer模式为我们监察I/O端口,如果有内容进来,会自动通知我们,这样,我们就不必开启多个线程死等,从外界看,实现了流畅的I/O读写,不堵塞了。

Java NIO出现不只是一个技术性能的提高,你会发现网络上到处在介绍它,因为它具有里程碑意义,从JDK1.4开始,Java开始提高性能相关的功能,从而使得Java在底层或者并行分布式 计算等操作上已经可以和C或Perl等语言并驾齐驱。

如果你至今还是在怀疑Java的性能,说明你的思想和观念已经完全落伍了,Java一两年就应该用新的名词来定义。从JDK1.5开始又要提供关于线程、并发等新性能的支持,Java应用在游戏等适时领域方面的机会已经成熟,Java在稳定自己中间件 地位后,开始蚕食传统C的领域。

本文主要简单介绍NIO的基本原理,

NIO主要原理 和适用。

NIO 有一个主要的类Selector,这个类似一个观察者 ,只要我们把需要探知的 socketchannel告诉Selector,我们接着做别的事情,当有事件发生时,他会通知我们,传回一组SelectionKey,我们读取这些 Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel,然后,我们从这个Channel中读取数据,放心,包准能够读到,接着我们可以处理这些数据。

Selector内部原理实际是在做一个对所注册的channel的轮询访问 ,不断的轮询(目前就这一个算法),一旦轮询到一个channel有所注册的事情发生,比如数据来了,他就会站起来报告,交出一把钥匙,让我们通过这把钥匙(SelectionKey 表示 SelectableChannel 在 Selector 中的注册的标记。 )来读取这个channel的内容。

了解了这个基本原理,我们结合代码看看使用,在使用上,也在分两个方向,一个是线程处理,一个是用非线程,后者比较简单,看下面代码:


import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.channels.spi.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
/**
*
* @author Administrator
* @version
*/

public class NBTest {


  /** Creates new NBTest */
  public NBTest()
  {
  }

  public void startServer() throws Exception
  {
  int channels = 0;
  int nKeys = 0;
  int currentSelector = 0;

  //使用Selector
  Selector selector = Selector.open();

  //建立Channel 并绑定到9000端口
  ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
  InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),9000);
  ssc.socket().bind(address);

  //使设定non-blocking的方式。
  ssc.configureBlocking(false);

  //向Selector注册Channel及我们有兴趣的事件
  SelectionKey s = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  printKeyInfo(s);

  while(true) //不断的轮询
  {
    debug("NBTest: Starting select");

    //Selector通过select方法通知我们我们感兴趣的事件发生了。
    nKeys = selector.select();
    //如果有我们注册的事情发生了,它的传回值就会大于0
    if(nKeys > 0)
    {
      debug("NBTest: Number of keys after select operation: " +nKeys);

      //Selector传回一组SelectionKeys
      //我们从这些key中的channel()方法中取得我们刚刚注册的channel。
      Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator i = selectedKeys.iterator();
      while(i.hasNext())
      {
         s = (SelectionKey) i.next();
         printKeyInfo(s);
         debug("NBTest: Nr Keys in selector: " +selector.keys().size());

         //一个key被处理完成后,就都被从就绪关键字(ready keys)列表中除去(测试 )
         i.remove();
         if(s.isAcceptable())
         {
           // 从channel()中取得我们刚刚注册的channel。
           Socket socket = ((ServerSocketChannel)s.channel()).accept().socket();
           SocketChannel sc = socket.getChannel();

           sc.configureBlocking(false);
           sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ |SelectionKey.OP_WRITE);
                      System.out.println(++channels);
         }
         else
         {
           debug("NBTest: Channel not acceptable");
         }
      }
   }
   else
   {
      debug("NBTest: Select finished without any keys.");
   }

  }

}


private static void debug(String s)
{
  System.out.println(s);
}


private static void printKeyInfo(SelectionKey sk)
{
  String s = new String();

  s = "Att: " + (sk.attachment() == null ? "no" : "yes");
  s += ", Read: " + sk.isReadable();
  s += ", Acpt: " + sk.isAcceptable();
  s += ", Cnct: " + sk.isConnectable();
  s += ", Wrt: " + sk.isWritable();
  s += ", Valid: " + sk.isValid();
  s += ", Ops: " + sk.interestOps();
  debug(s);
}


/**
* @param args the command line arguments
*/
public static void main (String args[])
{
  NBTest nbTest = new NBTest();
  try
  {
    nbTest.startServer();
  }
    catch(Exception e)
  {
    e.printStackTrace();
  }
}

}

这是一个守候在端口9000的noblock server例子,如果我们编制一个客户端程序,就可以对它进行互动操作,或者使用telnet 主机名 90000 可以链接上。

通过仔细阅读这个例程,相信你已经大致了解NIO的原理和使用方法,下一篇,我们将使用多线程来处理这些数据,再搭建一个自己的Reactor模式。

当前分布式计算 Web Services盛行天下,这些网络服务的底层都离不开对socket的操作。他们都有一个共同的结构:
1. Read request
2. Decode request
3. Process service
4. Encode reply
5. Send reply

经典的网络服务的设计如下图,在每个线程中完成对数据的处理:


但这种模式在用户负载增加时,性能将下降非常的快。我们需要重新寻找一个新的方案,保持数据处理的流畅,很显然,事件触发机制是最好的解决办法,当有事件发生时,会触动handler,然后开始数据的处理。

Reactor模式类似于AWT中的Event处理:


Reactor模式参与者

1.Reactor 负责响应IO事件,一旦发生,广播发送给相应的Handler去处理,这类似于AWT的thread
2.Handler 是负责非堵塞行为,类似于AWT ActionListeners;同时负责将handlers与event事件绑定,类似于AWT addActionListener

如图:


Java的NIO为reactor模式提供了实现的基础机制,它的Selector当发现某个channel有数据时,会通过SlectorKey来告知我们,在此我们实现事件和handler的绑定。

我们来看看Reactor模式代码:

public class Reactor implements Runnable{

  final Selector selector;
  final ServerSocketChannel serverSocket;

  Reactor(int port) throws IOException {
    selector = Selector.open();
    serverSocket = ServerSocketChannel.open();
    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port);
    serverSocket.socket().bind(address);

    serverSocket.configureBlocking(false);
    //向selector注册该channel
     SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

    logger.debug("-->Start serverSocket.register!");

    //利用sk的attache功能绑定Acceptor 如果有事情,触发Acceptor
    sk.attach(new Acceptor());
    logger.debug("-->attach(new Acceptor()!");
  }


  public void run() { // normally in a new Thread
    try {
    while (!Thread.interrupted())
    {
      selector.select();
      Set selected = selector.selectedKeys();
      Iterator it = selected.iterator();
      //Selector如果发现channel有OP_ACCEPT或READ事件发生,下列遍历就会进行。
      while (it.hasNext())
        //来一个事件 第一次触发一个accepter线程
        //以后触发SocketReadHandler
        dispatch((SelectionKey)(it.next()));
        selected.clear();
      }
    }catch (IOException ex) {
        logger.debug("reactor stop!"+ex);
    }
  }

  //运行Acceptor或SocketReadHandler
  void dispatch(SelectionKey k) {
    Runnable r = (Runnable)(k.attachment());
    if (r != null){
      // r.run();

    }
  }

  class Acceptor implements Runnable { // inner
    public void run() {
    try {
      logger.debug("-->ready for accept!");
      SocketChannel c = serverSocket.accept();
      if (c != null)
        //调用Handler来处理channel
        new SocketReadHandler(selector, c);
      }
    catch(IOException ex) {
      logger.debug("accept stop!"+ex);
    }
    }
  }
}



以上代码中巧妙使用了SocketChannel的attach功能,将Hanlder和可能会发生事件的channel链接在一起,当发生事件时,可以立即触发相应链接的Handler。

再看看Handler代码:
public class SocketReadHandler implements Runnable {

  public static Logger logger = Logger.getLogger(SocketReadHandler.class);

  private Test test=new Test();

  final SocketChannel socket;
  final SelectionKey sk;

   static final int READING = 0, SENDING = 1;
  int state = READING;

  public SocketReadHandler(Selector sel, SocketChannel c)
    throws IOException {

    socket = c;

    socket.configureBlocking(false);
     sk = socket.register(sel, 0);

    //将SelectionKey绑定为本Handler 下一步有事件触发时,将调用本类的run方法。
    //参看dispatch(SelectionKey k)
    sk.attach(this);

    //同时将SelectionKey标记为可读,以便读取。
    sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
    sel.wakeup();
  }

  public void run() {
    try{
    // test.read(socket,input);
      readRequest() ;
    }catch(Exception ex){
    logger.debug("readRequest error"+ex);
    }
  }


/**
* 处理读取data
* @param key
* @throws Exception
*/
private void readRequest() throws Exception {

  ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);
  input.clear();
  try{

    int bytesRead = socket.read(input);

    ......

    //激活线程池 处理这些request
    requestHandle(new Request(socket,btt));

    .....


  }catch(Exception e) {
  }

}


注意在Handler里面又执行了一次attach,这样,覆盖前面的Acceptor,下次该Handler又有READ事件发生时,将直接触发Handler.从而开始了数据的读 处理 写 发出等流程处理。

将数据读出后,可以将这些数据处理线程做成一个线程池,这样,数据读出后,立即扔到线程池中,这样加速处理速度:



更进一步,我们可以使用多个Selector分别处理连接和读事件。

一个高性能的Java网络服务机制就要形成,激动人心的集群并行计算即将实现。

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