使用JAVA建立稳定的多线程服务器

侯光敏 (wearebug@etang.com),

简介： 本文详细的介绍了使用Java语言建立一套多线程服务器的过程，该服务器使用对象传递消息，在线程中使用队列机制，使服务器的性能大大提高了。这套服务器可以被用于各种C/S或B/S结构的应用程序中。

发布日期： 2002 年 7 月 03 日 
级别： 初级 
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Java语言是完全面向对象的，它的线程机制和对象序列化特别容易使用，使用Java来建立一套多线程服务器要比使用其它语言方便的多，如果你再把它的异常处理机制利用好，那么你就可以建立一个商业级的多线程服务器了。由于采用了消息队列和Socket传输方式，所以不会出现丢消息的问题。这套服务器可以作为实时聊天服务器、多人协同的协作服务器等等。

消息系统的建立

这套服务器的消息系统采用的是对象传输的机制，而不是以前常常使用的字符串传输。采用对象传输的好处是扩展方便，如需要建立一个新的消息只需要从一个统一的基类继承下来，然后再写自己实现的方法就行了。这样也符合面向对象领域里一条重要的原则：OCP(open_closed Principle)，即一个好的设计应该能够容纳新的功能的增加，但是增加的方式不是修改原有的类，而是添加新的类。

首先建立一个基类：Msg，该抽象类中有两个域sender和receiver分别纪录消息的发送者和接收者。这两个域是在构造消息类时就填写的，receiver域可以为空，空表示发给谁都可以，由转发服务器来决定。该类的方法包括取得这两个域的值和消息的处理函数。消息的处理函数process()是空函数，供继承者重载。

建立了这个抽象基类后，你就可以继承它完成你自己的类。举个例子，假如我要建立一个分组协同工作的绘图系统，而且支持组员之间的对话，那么我可以建立如下的类集合：

SendTextMsg(String sender,String receiver,String info)//向指定的人发送对话。 

AddLineMsg(String sender,Point a,Point b)//在指定的点之间绘制一条直线 

AddRectangle(String sender,point start,Point end)//建立指定的矩形 

AddRotundaMsg(String sender,Point center,int radius)//建立指定的圆 

RemoveObjectMsg(String sender,int ID)//删除指定编号的图形对象 

……

以此类推，可以建立很多的消息类。在每个类的内部都由一个处理该类的方法process()，填写该方法就可以实现对消息类的处理，而服务器只负责完成消息的转发功能。这样，一套消息系统就建立了。

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服务器的结构

如果要服务器实现同时为每个客户端服务，就要使用多线程，建立一个线程池，当有客户端连接时就在池中开辟一个线程为它服务。同样，要避免大量消息到达时处理不过来而导致丢失的情况，就要使用消息队列。这个服务器是分层的处理的。

类关系图如下所示：

 

服务器的工作过程是这样的，建立了一个Server类作为主类，它含有程序的入口函数main()。在构造函数中初始化一个数组存放ClientSingle类，它其实就是单独处理一个连接用户的类。然后启动一个线程PORTListenThread，该线程的作用就是监听端口上有没有人登陆，当有人连接时交给Server的addClient()处理。Server的addClient()方法会在刚才那个数组中建立一个ClientSingle对象，然后把剩下的事都交给它做。

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端口监听线程类PORTListenThread

该线程类在run()函数的开始部分首先要检查serverScoket是否为空，保证循环开始时不要出错。然后进入一个死循环的监听：

while(true) { //死循环监
  try{Socket clientSocket=null;
      clientSocket=serverSocket.accept();
      server.addClient(clientSocket);//转交Server处理
  }
  catch (IOException e){System.out.println("监听端口时出错"+e);}//显示错误
}

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单个客户端在连接池中的映像类ClientSingle

每一个客户端连接到服务器后，服务器会自动在连接池中建立该客户端的一个映像，所有的操作都交给这个映像去具体执行，所以ClientSingle中一定要包含客户端的一些基本的信息。比如客户端的名称、登陆时间等等。在该类中有两个消息队列sendQueue（发送队列）和receiveQueue（接收队列）缓存消息。

ClientSingle类是继承自Thread的，它还是一个调用者。在初始化的时候启动两个子线程类SingleSender和SingleListener运行。SingleSender负责监听指令发送队列中有没有指令，有则发送；SingleListener负责监听有没有消息到达，有则把这些消息加入到接收队列中去，由ClientSingle处理。所以ClientSingle的主要任务就是对这两个队列的处理。这两个队列可以用Vector实现，非常地简单。

//-------将消息加入发送队列中------------
synchronized void send(Object o)
{ sendQueue.add(o);
}

为了稳定控制子线程的运行，并不鼓励在run()方法的死循环标志都用true，而是使用了一个布尔型的变量finish。外部可以通过把这个标志置为假而停止线程的运行。

发送子线程类启动后执行run()中的循环（以finish为结束标志），在该循环内首先判断ClientSingle中的发送队列是否为空，为空时睡眠一定的时间再重新判断，这也是一个while循环。不为空则开始处理队列中的消息，把它取出后放入输出流中发送。

public void run(){
    while (!father.finish){ //循环监听
      while(father.v.isEmpty()){ //当发送队列为空的时候线程睡眠500毫秒
        try{Thread.sleep(500);}
catch(InterruptedException e){System.out.println(e);}
      }
      if (!father.v.isEmpty()){  //发送队列不为空时
        try{
          Object a=father.v.firstElement();//取出队列中的第一个消息
          father.v.removeElementAt(0);//从队列中删除
          oos.writeObject(a);//发送该消息
          oos.flush();
        }catch(IOException e){
          displayMessage(" 传输失败 !");
          father.finish=false;
        }
      }
    }
}

接收子线程SingleListener类和发送子线程是类似的，它们的run()方法都差不多。不同的是接收子线程把收到的消息加入到ClientSingle的接收队列中去，由它处理。

ClientSingle类的run()方法就在循环地读取接收队列receiveQueue中的内容，为空时等待；不为空时依次取出处理和转发。处理消息的函数是processMsg（），它只是执行消息类自己的process()方法罢了。在处理完后，会调用Server类的方法进行各种类型的转发。

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分组转发的实现类Group

为了实现对客户端分组，我建立了Group类。在这个类中有一个列表存放已经存在于连接池中的那些ClientSingle类的引址。只要遍历整个列表就能访问所有组中的成员。这个列表可以用Vector实现，也可以用哈希表，我推荐后者，主要是为了能够按名字存取。

组对象本身也是可以存在Server类的组列表中的。

分组功能对多人的协同系统来说是非常重要的，特别是分组对某一个共享空间操作的时候。就以上面的协同绘图系统为例，如果10个人里有三个人要另起炉灶，那么他们三个的画板就不能让其他人看到，这就必须有"组"个划分。

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主服务器类Server

Server类是最核心的类，它在这个框架中起到调度全局的作用，上面介绍的那些类都由它来统一的构造和调用。

Server类的域包括一个定长的数组存放ClientSingle实例，它就是连接池的实现。还要有一个哈希表存放Group实例。Server类的方法都是对这两个类的操作。

建立ClientSingle数组的目的是保证服务器的稳定性。其实，你也可以选择不建立它，只是动态地构造对象，但是那样不好管理连接的用户，而且由于各种操作系统对进程的处理不同，动态建立服务线程会很不稳定。所以我先建立一个数组作为这些对象的容器，在开始时就估计好连接者的最大数量。Server类的addClient()函数：

void addClient(Socket socket){
    int c=0;
    try{while (sch[c]!=null) c++;}//搜索数组中的空余空间
    catch(ArrayIndexOutOfBoundsException e){
      try{ socket.close();}//出现异常关闭槽连接
      catch(IOException ee){ System.out.println("数组溢出");}
      return;
    }
    sch[c]=new ClientSingle(c,socket,father,this);//在搜索到的位置建立ClientSingle对象
}

Server类中转发的方法有：sendToAll（）、sendToOne（）、sendToGroup（）等等。这些方法都是对线程池中的方法的操作，比较简单，不外乎都是找到线程池中的某个ClientSingle对象，然后调用它的send()方法罢了。

注意，这些转发的方法可能被很多子线程同时调用，所以为了保持线程的稳定，千万记住要在方法前加synchronized关键字。

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总结

通过上面的描述你可以发现，要建立稳定的服务器程序，消息队列和线程池是很重要的。此外，也要考虑到很多的意外情况的发生。一般的程序员在写完线程的run（）方法的循环后就不管了，其实还应该考虑跳出循环后的资源释放等等问题。

这只是我在编程中总结出来的一些比较初级的经验，希望能够抛砖引玉。

关于作者

侯光敏，毕业于天津理工学院计算机科学与工程系，现在北京某公司从事软件开发工作，使用java编程。你可以通过wearebug@etang.com和我联系。