Scalable IO in Java 学习笔记

Scalable IO in Java
Java NIO浅析 <- 看这个就好，下面不用看=.=

网络服务的基本结构

• Read request
• Decode request
• Process service
• Encode reply
• Send reply

传统BIO模式

BIO模式下，socket的accept()，read()，write()方法都是同步阻塞的，即一个线程在等待客户端输入时，一直是处于阻塞状态的。为了能同时服务多个客户端，以及增加CPU的利用率，我们需要为每个连接单独开一个线程进行处理，由此会带来以下这些问题

• 线程创建及销毁成本很高（可以通过线程池缓解）
• 线程额外的内存开销，例如在没有显式设置-Xss时，每个Java线程都会默认占用1MB的栈空间
• 线程切换成本，当线程数过高时，大量CPU时间会被浪费在context switch上

NIO的工作方式

java.nio提供了两个基本特性

• 非阻塞的读写（Channel）
  • 例如调用read()时，有数据就读取并返回，如果没有数据直接返回，不像BIO会一直阻塞到读取到数据为止
• 根据IO事件分派任务（Selector）
  • 操作系统会将Channel上的IO状态变化主动推送给我们，例如可读、可写、有新连接等
  • 具体实现依赖操作系统（例如Linux 2.6之后是O(1)的epoll，之前是O(n)的select）

依据这两个特性，我们就可以用事件驱动(event-driven)的方式，用一个线程来服务多个连接了。Reactor模式就是事件驱动模式的一种实现。

NIO中的基本概念

• Channels
  • 支持非阻塞读写的连接，可以是文件，网络等等
• Buffers
  • Channels读写时用到的对象，底层是数组
• Selectors
  • 获取IO事件
• SelectionKeys
  • 维护selector和channel之间的绑定关系，包括注册感兴趣的事件及绑定处理器
• IO事件
  • OP_ACCEPT
    • 服务端收到一个连接请求
  • OP_CONNECT
    • 客户端发起连接
  • OP_READ
    • 当OS的读缓冲区中有数据可读
  • OP_WRITE
    • 当OS的写缓冲区中有空闲的空间

Reactor模式

单线程版本的Reactor

• Reactor
  • 响应IO事件，分派任务给合适的handler
• Handler
  • 执行非阻塞的操作，例如Acceptor，Reader，Sender等

Reactor

public class Reactor implements Runnable {

    private final Selector selector;

    // 接收客户端连接，只支持OP_ACCEPT
    private final ServerSocketChannel serverSocket;

    public Reactor(int port) throws IOException {
        selector = Selector.open();
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(port));
        serverSocket.configureBlocking(false);
        // 管理channel和selector的绑定状态，interestOps(int)修改绑定，cancel()取消绑定
        SelectionKey selectionKey = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        selectionKey.attach(new Acceptor());
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select();
                selector.selectedKeys().forEach(this::dispatch);
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void dispatch(SelectionKey key) {
        Runnable r = (Runnable) key.attachment();
        if (r != null) {
            r.run();
        }
    }

    class Acceptor implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                // accept返回用于和客户端交互的SocketChannel，支持OP_READ, OP_WRITE
                SocketChannel c = serverSocket.accept();
                if (c != null) {
                    new Handler(selector, c);
                }
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        new Reactor(12345).run();
    }

}

Handler

public class Handler implements Runnable {

    private final SocketChannel socketChannel;

    private final SelectionKey selectionKey;

    private static final int MAX = 1000;

    private ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(MAX);

    private ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(MAX);

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

    private int state = READING;

    public Handler(Selector selector, SocketChannel channel) throws IOException {
        socketChannel = channel;
        socketChannel.configureBlocking(false);
        selectionKey = socketChannel.register(selector, 0);
        selectionKey.attach(this);
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //绑定后再注册事件
        selector.wakeup();
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            if (state == READING) {
                read();
            }
            else if (state == SENDING) {
                send();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private void read() throws IOException {
        socketChannel.read(input);
        if (isInputComplete()) {
            process();
            state = SENDING;
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);
        }
    }

    private void send() throws IOException {
        System.out.println("sending");
        socketChannel.write(output);
        if (isOutputComplete()) {
            selectionKey.cancel();
        }
    }

    private boolean isInputComplete() {
        return input.remaining() < MAX;
    }

    private boolean isOutputComplete() {
        return !output.hasRemaining();
    }

    private void process() {
        input.flip();
        byte[] temp = new byte[input.remaining()];
        input.get(temp);
        System.out.println("receive: " + new String(temp));

        output.put("done\r\n".getBytes());
        output.flip();
    }
}

ByteBuffer cheatsheet

Caveat

• 当并发连接数不高时，NIO并没有显著性能优势。
• 使用事件驱动模式编程难度更高，代码需要拆分为多个non-blocking actions，同时需要小心维护服务的逻辑状态。
• 推荐使用成熟的NIO框架，如Netty，MINA

TODO

多线程版本的Reactor
了解AIO及Proactor模式