2004-03-02 瀏覽次數(shù)：1635
NIO 是帶有 JDK 1.4 的 Java 平臺的最有名（如果不是最出色的）的添加部分之一。下面的許多文章闡述了 NIO 的基本知識及如何利用非阻塞通道的好處。但它們所遺漏的一件事正是，沒有充分地展示 NIO 如何可以提高 J2EE Web 層的可伸縮性。對于企業(yè)開發(fā)人員來說，這些信息特別密切相關，因為實現(xiàn) NIO 不像把少數(shù)幾個 import 語句改變成一個新的 I/O 包那樣簡單。首先，Servlet API 采用阻塞 I/O 語義，因此默認情況下，它不能利用非阻塞 I/O。其次，不像 JDK 1.0 中那樣，線程不再是“資源獨占”（resource hog），因此使用較少的線程不一定表明服務器可以處理更多的客戶機。
在本文中，為了創(chuàng)建基于 Servlet 并實現(xiàn)了 NIO 的 Web 服務器，您將學習如何解決 Servlet API 與非阻塞 I/O 的不配合問題。我們將會看到在多元的 Web 服務器環(huán)境中，這個服務器是如何針對標準 I/O 服務器（Tomcat 5.0）進行伸縮的。為符合企業(yè)中生存期的事實，我們將重點放在當保持 socket 連接的客戶機數(shù)量以指數(shù)級增長時，NIO 與標準 I/O 相比較的情況如何。
注意，本文針對某些 Java 開發(fā)人員，他們已經(jīng)熟悉了 Java 平臺上 I/O 編程的基礎知識。有關非阻塞 I/O 的介紹，請參閱
參考資料 部分。
大家都知道，線程是比較昂貴的。在 Java 平臺的早期（JDK 1.0），線程的開銷是一個很大負擔，因此強制開發(fā)人員自定義生成解決方案。一個常見的解決方案是使用 VM 啟動時創(chuàng)建的線程池，而不是按需創(chuàng)建每個新線程。盡管最近在 VM 層上提高了線程的性能，但標準 I/O 仍然要求分配惟一的線程來處理每個新打開的 socket。就短期而言，這工作得相當不錯，但當線程的數(shù)量增加超過了 1K，標準 I/O 的不足就表現(xiàn)出來了。由于要在線程間進行上下文切換，因此 CPU 簡直變成了超載。
由于 JDK 1.4 中引入了 NIO，企業(yè)開發(fā)人員最終有了“單線程”模型的一個內(nèi)置解決方案：多元 I/O 使得固定數(shù)量的線程可以服務不斷增長的用戶數(shù)量。
多路復用（Multiplexing） 指的是通過一個載波來同時發(fā)送多個信號或流。當使用手機時，日常的多路復用例子就發(fā)生了。無線頻率是稀有的資源，因此無線頻率提供商使用多路復用技術通過一個頻率發(fā)送多個呼叫。在一個例子中，把呼叫分成一些段，然后給這些段很短的持續(xù)時間，并在接收端重新裝配。這就叫做 時分多路復用（time-division multiplexing） ，即 TDM。
在 NIO 中，接收端相當于“選擇器”（參閱 java.nio.channels.Selector）。不是處理呼叫，選擇器是處理多個打開的 socket。就像在 TDM 中那樣，選擇器重新裝配從多個客戶機寫入的數(shù)據(jù)段。這使得服務器可以用單個線程管理多個客戶機。
對于 NIO，非阻塞讀寫是必要的，但它們并不是完全沒有麻煩。除了不會阻塞之外，非阻塞讀不能給呼叫方任何保證?？蛻魴C或服務器應用程序可能讀取完整信息、部分消息或者根本讀取不到消息。另外，非阻塞讀可能讀取到太多的消息，從而強制為下一個呼叫準備一個額外的緩沖區(qū)。最后，不像流那樣，讀取了零字節(jié)并不表明已經(jīng)完全接收了消息。
這些因素使得沒有輪詢就不可能實現(xiàn)甚至是簡單的 readline 方法。所有的 servlet 容器必須在它們的輸入流上提供 readline 方法。因此，許多開發(fā)人員放棄了創(chuàng)建基于 Servlet 并實現(xiàn)了 NIO 的 Web 應用程序服務器。不過這里有一個解決方案，它組合了 Servlet API 和 NIO 的多元 I/O 的能力。
在下面的幾節(jié)中，您將學習如何使用 java.io.PipedInput 和 PipedOutputStream 類來把生產(chǎn)者/消費者模型應用到消費者非阻塞 I/O。當讀取非阻塞通道時，把它寫到正由第二個線程消費的管道。注意，這種分解映射線程不同于大多數(shù)基于 Java 的客戶機/服務器應用程序。這里，我們讓一個線程單獨負責處理非阻塞通道（生產(chǎn)者），讓另一個線程單獨負責把數(shù)據(jù)作為流消費（消費者）。管道也為應用程序服務器解決了非阻塞 I/O 問題，因為 servlet 在消費 I/O 時將采用阻塞語義。
示例服務器展示了 Servlet API 和 NIO 不兼容的生產(chǎn)者/消費者解決方案。該服務器與 Servlet API 非常相似，可以為成熟的基于 NIO 應用程序服務器提供 POC (proof of concept)，是專門編寫來衡量 NIO 相對于標準 Java I/O 的性能的。它處理簡單的 HTTP get 請求，并支持來自客戶機的 Keep-Alive 連接。這是重要的，因為多路復用 I/O 只證明在要求服務器處理大量打開的 scoket 連接時是有意的。
該服務器被分成兩個包：org.sse.server 和 org.sse.http 包中有提供主要 服務器 功能的類，比如如下的一些功能：接收新客戶機連接、閱讀消息和生成工作線程以處理請求。http 包支持 HTTP 協(xié)議的一個子集。詳細闡述 HTTP 超出了本文的范圍。
現(xiàn)在讓我們來看一下 org.sse.server 包中一些最重要的類。
Server 類擁有多路復用循環(huán) —— 任何基于 NIO 服務器的核心。在清單 1 中，在服務器接收新客戶機或檢測到正把可用的字節(jié)寫到打開的 socket 前，select() 的調(diào)用阻塞了。這與標準 Java I/O 的主要區(qū)別是，所有的數(shù)據(jù)都是在這個循環(huán)中讀取的。通常會把從特定 socket 中讀取字節(jié)的任務分配給一個新線程。使用 NIO 選擇器事件驅(qū)動方法，實際上可以用單個線程處理成千上萬的客戶機，不過，我們還會在后面看到線程仍有一個角色要扮演。
每個 select() 調(diào)用返回一組事件，指出新客戶機可用；新數(shù)據(jù)準備就緒，可以讀??；或者客戶機準備就緒，可以接收響應。server 的 handleKey() 方法只對新客戶機（key.isAcceptable()）和傳入數(shù)據(jù) (key.isReadable()) 感興趣。到這里，工作就結(jié)束了，轉(zhuǎn)入 ServerEventHandler 類。
public void listen() { SelectionKey key = null; try { while (true) { selector.select(); Iterator it = selector.selectedKeys().iterator(); while (it.hasNext()) { key = (SelectionKey) it.next(); handleKey(key); it.remove(); } } } catch (IOException e) { key.cancel(); } catch (NullPointerException e) { // NullPointer at sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl, Bug: 4729342 e.printStackTrace(); } }
ServerEventHandler 類響應服務器事件。當新客戶機變?yōu)榭捎脮r，它就實例化一個新的 Client 對象，該對象代表了那個客戶機的狀態(tài)。數(shù)據(jù)是以非阻塞方式從通道中讀取的，并被寫到 Client 對象中。ServerEventHandler 對象也維護請求隊列。為了處理（消費）隊列中的請求，生成了不定數(shù)量的工作線程。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)者/消費者方式下，為了在隊列變?yōu)榭諘r線程會阻塞，并在新請求可用時線程會得到通知，需要寫 Queue。
為了支持等待的線程，在清單 2 中已經(jīng)重寫了 remove() 方法。如果列表為空，就會增加等待線程的數(shù)量，并阻塞當前線程。它實質(zhì)上提供了非常簡單的線程池。
public class Queue extends LinkedList { private int waitingThreads = 0; public synchronized void insert(Object obj) { addLast(obj); notify(); } public synchronized Object remove() { if ( isEmpty() ) { try { waitingThreads++; wait();} catch (InterruptedException e) {Thread.interrupted();} waitingThreads--; } return removeFirst(); } public boolean isEmpty() { return (size() - waitingThreads <= 0); } }
工作線程的數(shù)量與 Web 客戶機的數(shù)量無關。不是為每個打開的 socket 分配一個線程，相反，我們把所有請求放到一個由一組 RequestHandlerThread 實例所服務的通用隊列中。理想情況下，線程的數(shù)量應該根據(jù)處理器的數(shù)量和請求的長度或持續(xù)時間進行調(diào)整。如果請求通過資源或處理需求花了很長時間，那么通過添加更多的線程，可以提高感知到的服務質(zhì)量。
注意，這不一定提高整體的吞吐量，但確實改善了用戶體驗。即使在超載的情況下，也會給每個線程一個處理時間片。這一原則同樣適用于基于標準 Java I/O 的服務器；不過這些服務器是受到限制的，因為會 要求 它們?yōu)槊總€打開的 socket 連接分配一個線程。NIO 服務器完全不用擔心這一點，因此它們可以擴展到大量用戶。最后的結(jié)果是 NIO 服務器仍然需要線程，只是不需要那么多。
Client 類有兩個用途。首先，通過把傳入的非阻塞 I/O 轉(zhuǎn)換成可由 Servlet API 消費的阻塞 InputStream，它解決了阻塞/非阻塞問題。其次，它管理特定客戶機的請求狀態(tài)。因為當全部讀取消息時，非阻塞通道沒有給出任何提示，所以強制我們在協(xié)議層處理這一情況。Client 類在任意指定的時刻都指出了它是否正在參與進行中的請求。如果它準備處理新請求，write() 方法就會為請求處理而將該客戶機排到隊列中。如果它已經(jīng)參與了請求，它就只是使用 PipedInputStream 和 PipedOutputStream 類把傳入的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一個 InputStream。
圖 1 展示了兩個線程圍繞管道進行交互。主線程把從通道讀取的數(shù)據(jù)寫到管道中。管道把相同的數(shù)據(jù)作為 InputStream 提供給消費者。管道的另一個重要特性是：它是進行緩沖處理的。如果沒有進行緩沖處理，主線程在嘗試寫到管道時就會阻塞。因為主線程單獨負責所有客戶機間的多路復用，因此我們不能讓它阻塞。
在 Client 自己排隊后，工作線程就可以消費它了。RequestHandlerThread 類承擔了這個角色。至此，我們已經(jīng)看到主線程是如何連續(xù)地循環(huán)的，它要么接受新客戶機，要么讀取新的 I/O。工作線程循環(huán)等待新請求。當客戶機在請求隊列上變?yōu)榭捎脮r，它就馬上被 remove() 方法中阻塞的第一個等待線程所消費。
public void run() { while (true) { Client client = (Client) myQueue.remove(); try { for (; ; ) { HttpRequest req = new HttpRequest(client.clientInputStream, myServletContext); HttpResponse res = new HttpResponse(client.key); defaultServlet.service(req, res); if (client.notifyRequestDone()) break; } } catch (Exception e) { client.key.cancel(); client.key.selector().wakeup(); } } }
然后該線程創(chuàng)建新的 HttpRequest 和 HttpResponse 實例，并調(diào)用 defaultServlet 的 service 方法。注意，HttpRequest 是用 Client 對象的 clientInputStream 屬性構(gòu)造的。PipedInputStream 就是負責把非阻塞 I/O 轉(zhuǎn)換成阻塞流。
從現(xiàn)在開始，請求處理就與您在 J2EE Servlet API 中期望的相似。當對 servlet 的調(diào)用返回時，工作線程在返回到池中之前，會檢查是否有來自相同客戶機的另一個請求可用。注意，這里用到了單詞 池 (pool)。事實上，線程會對隊列嘗試另一個 remove() 調(diào)用，并變成阻塞，直到下一個請求可用。
示例服務器實現(xiàn)了 HTTP 1.1 協(xié)議的一個子集。它處理普通的 HTTP get 請求。它帶有兩個命令行參數(shù)。第一個指定端口號，第二個指定 HTML 文件所駐留的目錄。在解壓文件后，切換 到項目目錄，然后執(zhí)行下面的命令，注意要把下面的 webroot 目錄替換為您自己的目錄：
java -cp bin org.sse.server.Start 8080 "C:\mywebroot"
還請注意，服務器并沒有實現(xiàn)目錄清單，因此必須指定有效的 URL 來指向您的 webroot 目錄下的文件。
示例 NIO 服務器是在重負載下與 Tomcat 5.0 進行比較的。選擇 Tomcat 是因為它是基于標準 Java I/O 的純 Java 解決方案。為了提高可伸縮性，一些高級的應用程序服務器是用 JNI 本機代碼優(yōu)化的，因此它們沒有提供標準 I/O 和 NIO 之間的很好比較。目標是要確定 NIO 是否給出了大量的性能優(yōu)勢，以及是在什么條件下給出的。
如下是一些說明：
Tomcat 是用最大的線程數(shù)量 2000 來配置的，而示例服務器只允許用 4 個工作線程運行。
每個服務器是針對相同的一組簡單 HTTP get 測試的，這些 HTTP get 基本上由文本內(nèi)容組成。
把加載工具（Microsoft Web Application Stress Tool）設置為使用“Keep-Alive”會話，導致了大約要為每個用戶分配一個 socket。然后它導致了在 Tomcat 上為每個用戶分配一個線程，而 NIO 服務器用固定數(shù)量的線程來處理相同的負載。
圖 2 展示了在不斷增加負載下的“請求/秒”率。在 200 個用戶時，性能是相似的。但當用戶數(shù)量超過 600 時，Tomcat 的性能開始急劇下降。這最有可能是由于在這么多的線程間切換上下文的開銷而導致的。相反，基于 NIO 的服務器的性能則以線性方式下降。記住，Tomcat 必須為每個用戶分配一個線程，而 NIO 服務器只配置有 4 個工作線程。
圖 3 進一步顯示了 NIO 的性能。它展示了操作的 Socket 連接錯誤數(shù)/分鐘。同樣，在大約 600 個用戶時，Tomcat 的性能急劇下降，而基于 NIO 的服務器的錯誤率保持相對較低。
在本文中您已經(jīng)學習了，實際上可以使用 NIO 編寫基于 Servlet 的 Web 服務器，甚至可以啟用它的非阻塞特性。對于企業(yè)開發(fā)人員來說，這是好消息，因為在企業(yè)環(huán)境中，NIO 比標準 Java I/O 更能夠進行伸縮。不像標準的 Java I/O，NIO 可以用固定數(shù)量的線程處理許多客戶機。當基于 Servlet 的 NIO Web 服務器用來處理保持和擁有 socket 連接的客戶機時，會獲得更好的性能。
