JAVA NIO non-blocking模式实现高并发服务器

JAVA NIO non-blocking模式实现高并发服务器

分类： JAVA NIO2014-04-14 11:12 1912人阅读 评论(0) 收藏 举报

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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.

来源： <http://blog.csdn.net/z69183787/article/details/23665921>

来自为知笔记(Wiz)