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java nio的多线程扩展

2015年06月19日

前言

netty的学习有一个难点:netty中应用了Reactor模式,而Reactor模式本身有多种线程模型可以实现。其实io 模型的多线程扩展方面,不论bio 还是nio 宏观上都类似,这一点可以与 《how tomcat works》笔记 对比着看,tomcat 在演化的过程中,也由单纯的操作socket 演进为提供 HttpConnector、HttpProcessor抽象。其背后都符合多线程扩展的基本思想:找到串行任务中的并行部分(逻辑上不相关/弱相关),将一个线程的事情拆分到多个线程中

为减少篇幅,本文涉及的所有代码忽略了次要部分及异常处理,所有代码可以在git@code.csdn.net:lqk654321/nio-demo.git下载。

本文从最简单的代码开始,逐步拆解,演示下如何在nio编程中应用各种线程模型。

单线程模型

public class NIOServer {
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		Selector selector = Selector.open();
		ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
		serverSocketChannel.configureBlocking(false);
		serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
		serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
		while (true) {
			selector.select(1000);
			Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
			Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
			SelectionKey key = null;
			while (it.hasNext()) {
				key = it.next();
				it.remove();
				handleKey(key);
			}
		}
	}
	public static void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {
		if (key.isAcceptable()) {
			// Accept the new connection
			ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
			SocketChannel sc = ssc.accept();
			sc.configureBlocking(false);
			// Add the new connection to the selector
			sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
			System.out.println("accept...");
		} else if (key.isReadable()) {
			SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel();
			ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
			// handle buffer
			int count = sc.read(readBuffer);
			if (count > 0) {
				String receiveText = new String(readBuffer.array(), 0, count);
				System.out.println("服务器端接受客户端数据--:" + receiveText);
			}
		}
	}
}

代码中,while(true){监听并处理事件}循环有个学名,叫eventloop。

while(ture){
	// 阻塞
	selectKeys = select();
	// 非阻塞
	handleKey(selectKeys);
}

在该示例中,所有工作放在一个线程中处理,很明显可靠性较低且性能不高。

  1. 从事件属性上讲,包括:accept事件、read/write事件。
  2. 从任务属性上讲,包括io任务(r/w data),read/write数据的处理(对data的业务处理)等
  事件 任务(处理事件)
accept 新连接进来 将新连接的socket注册到selector
read 读缓冲区有数据 数据解码、进行业务处理
write 写缓冲区有空闲 数据编码,写入socket send buffer

对于server端,连接建立得到socket后,要为新建立的socket的注册selector(在我以前的理解中,忽视了这一点)。

多线程模型——io线程和业务线程分开

最容易想到的办法,当数据readable时,启动线程池,开启一个新的任务专门处理该数据,高大上点就是:io线程和业务线程分开,因此上节的handlerKey方法简化成了。

public static void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {
	if (key.isAcceptable()) {
		// Accept the new connection
		ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
		SocketChannel sc = ssc.accept();
		sc.configureBlocking(false);
		// Add the new connection to the selector
		sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
		System.out.println("accept...");
	} else if (key.isReadable()) {
		executor.execute(new Reader(key));
	}
}

对应的,红色部分交给线程池处理

  事件 任务(处理事件)
accept 新连接进来 将新连接的socket注册到selector
read 读缓冲区有数据 数据解码、进行业务处理
write 写缓冲区有空闲 数据编码,写入socket send buffer

主从线程模型——io线程按事件类型分开

到目前为止,代码还没有完全并行化,因为acceptable事件和readable/writable事件的处理,也没什么关系。于是我们可以搞两个selector(笔者以前默认的意识里,一直以为selector只能有一个。当笔者看到可以两个selector监听不同事件的时候,一下子对netty豁然开朗了),一个负责监听acceptable事件,一个监听readable/writable事件的处理,分散在不同的线程中处理。

public class NIOServer { 	
    private static ExecutorService boosExecutor = Executors.newFixedThreadPool(1);
    private static ExecutorService workerExecutor = Executors.newFixedThreadPool(10);
    private static Queue<SocketChannel> workerQueue = new ConcurrentLinkedQueue<SocketChannel>(); 	
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        /**
            * boss只处理连接事件,worker只处理读写事件。
            * 将两者分开的关键就是使用两个selector
            */
        Selector bossSelector = Selector.open();
        Selector workerSelector = Selector.open();
        Boss boss = new Boss(bossSelector,workerQueue); 
        boss.bind();
        boosExecutor.execute(boss);
        workerExecutor.execute(new Worker(workerSelector,workerQueue));
    }
}

boss线程实现

public class Boss implements Runnable {
	public void bind() throws IOException { 		
		ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
		serverSocketChannel.configureBlocking(false);
		serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
		serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
	} 
	public void run() {  		
		while (true) {
			selector.select();
			Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
			Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
			SelectionKey key = null;
			while (it.hasNext()) {
				key = it.next();
				it.remove();
				handleKey(key);
			}
		}
	}
	private void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {
		if (key.isAcceptable()) {
			// Accept the new connection
			ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
			SocketChannel sc = ssc.accept();
			System.out.println("boss connect...");
			// 向woker队列中发送建立连接的SocketChannel
			workerQueue.add(sc);
			System.out.println("boss queue size " + workerQueue.size());
		} 
	}
}

worker线程实现

public class Worker implements Runnable {
	public void run() {
		while (true) {
			process(workerQueue);
			process(selector);
			Thread.sleep(1000);
		}
	}
	public void process(Queue<SocketChannel> queue) throws IOException{
		// 如果队列为空,会返回null,不会阻塞
		SocketChannel sc = workerQueue.poll();
		if(null != sc){
			System.out.println("worker accept ...");
			sc.configureBlocking(false);
			sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE);
		}
	}
	public void process(Selector selector) throws IOException{
		 //此处必须设置超时,因为最开始worker的selector没有绑定SocketChannel,所以“selector.select()会阻塞,并且再也无法恢复”
		selector.select(1000);
		// 处理读写事件
		Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
		Iterator<SelectionKey> it = selectedKeys.iterator();
		SelectionKey key = null;
		while (it.hasNext()) {
			key = it.next();
			it.remove();
			handleKey(key);
		}
	}   
}

对应的,蓝色部分由boss线程(group)负责,红色部分由worker线程(group)负责。

  事件 任务(处理事件)
accept 新连接进来 将新连接的socket注册到selector
read 读缓冲区有数据 数据解码、进行业务处理
write 写缓冲区有空闲 数据编码,写入socket send buffer

io线程与selector 绑定

io 线程的分化是随着 selector 功能的分化进行的,每个io线程都会聚合一个selector

XXthread{
	private Selector selector
	public void run(){
		while(true){
			selector.select();
    		Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
			...
			ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
			...
		}
	}
}

kafka 中 专门负责acceptable事件 线程称为 acceptor thread, 负责readable/writable事件的称为 processor thread。netty 中都称为 eventloop,但在使用时命名有所区分,前者称之为boss,后者称之为worker。netty的处理方式也体现了,“io线程与业务线程分化” 与 “io线程本身的分化” 有一点不同:后者虽然分化了,但不同线程整体的处理逻辑是一致的。就好比一些rpc 框架支持快慢线程池的功能,快慢线程池中不同线程的处理逻辑是一样的,只是为了优先保证重要业务的可靠性才做的区分。

java 多线程编程中,一般推荐将自己的逻辑封装为Runnable提交给线程池。但在很多框架的实现中,通常会将 thread 和 相关数据封装一下 对外提供系统的操作对象,这类对象通常不聚合thread 对象也没有什么问题。按照“程序=控制+逻辑”的公式,此时的线程只是一个“控制”方式,并不影响 封装对象对外提供的 逻辑接口,我们从 reactor 模式的概念图中也没找到 thread的影子不是。

io线程和业务线程的数据交互

在netty 中,io线程读取到数据后,可以直接操作线程池对象来执行 业务处理逻辑。kafka 则在io 线程与业务线程之间 提供了一个队列来缓冲数据,Processor thread 将读取的数据放入 RequestChannel(对队列的封装),Handler thread读取 并将处理后的响应通过 RequestChannel 传递给Processor。 Handler thread 属于kafka的 API层。

NIO的使用套路

在具体实践中,各个框架套路不一样

  1. hadoop,Thread-Per-Connection,与BIO的思路一样,只是用了NIO的API
  2. kafka客户端,一个线程 一个selector 裸调java NIO 进行网络通信
  3. netty和kafka 服务端都采用主从线程模型,但在io线程和业务线程的交互上有差异,如上文所述