轉自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/l-niosvr/#4
JDK1.4提供的無阻塞I/O（NIO）有效解決了多線程服務器存在的線程開銷問題，但在使用上略顯得複雜一些。許多基於 NIO的多線程服務器程序往往直接基於選擇器（Selector）的Reactor模式實現。這種簡單的事件機制對於較複雜的服務器應用，顯然缺乏擴展性 和可維護性， 而且缺乏直觀清晰的結構層次。本文將通過一個基於事件回調的NIO多線程服務器的設計，試圖提供一個簡潔、直觀、易於擴展的NIO多線程服務器模型。
JDK1.4的NIO有效解決了原有流式IO存在的線程開銷的問題，在NIO中使用多線程，主要目的已不是爲了應對每個客戶端請求而分配獨立的服務線程，而是通過多線程充分使用用多個CPU的處理能力和處理中的等待時間，達到提高服務能力的目的。
多線程的引入，容易爲本來就略顯複雜的NIO代碼進一步降低可讀性和可維護性。引入良好的設計模型，將不僅帶來高性能、高可靠的代碼，也將帶來一個愜意的開發過程。
NIO的選擇器採用了多路複用（Multiplexing）技術，可在一個選擇器上處理多個套接字， 通過獲取讀寫通道來進行IO操作。由於網絡帶寬等原因，在通道的讀、寫操作中是容易出現等待的， 所以在讀、寫操作中引入多線程，對性能提高明顯，而且可以提高客戶端的感知服務質量。所以本文的模型將主要通過使用讀、寫線程池 來提高與客戶端的數據交換能力。
如下圖所示，服務端接受客戶端請求後，控制線程將該請求的讀通道交給讀線程池，由讀線程池分配線程完成對客戶端數據的讀取操作；當讀線程完成讀操作後，將數據返回控制線程，進行服務端的業務處理；完成 業務處理後，將需迴應給客戶端的數據和寫通道提交給寫線程池，由寫線程完成向客戶端發送迴應數據的操作。
同時整個服務端的流程處理，建立於事件機制上。在
[
接受連接－＞讀－＞業務處理－＞寫
－
＞關閉連接
]
這個
過程中，觸發器將觸發相應事件，由事件處理器對相應事件分別響應，完成服務器端的業務處理。
下面我們就來詳細看一下這個模型的各個組成部分。
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（1）onAccept：當服務端收到客戶端連接請求時，觸發該事件。通過該事件我們可以知道有新的客戶端呼入。該事件可用來控制服務端的負載。例如，服務器可設定同時只爲一定數量客戶端提供服務，當同時請求數超出數量時，可在響應該事件時直接拋出異常，以拒絕新的連接。
（2）onAccepted：當客戶端請求被服務器接受後觸發該事件。該事件表明一個新的客戶端與服務器正式建立連接。
（3）onRead：當客戶端發來數據，並已被服務器控制線程正確讀取時，觸發該事件
。該事件通知各事件處理器可以對客戶端發來的數據進行實際處理了。需要注意的是，在本模型中，客戶端的數據讀取是由控制線程交由讀線程完成的，事件處理器不需要在該事件中進行專門的讀操作，而只需將控制線程傳來的數據進行直接處理即可。
（4）onWrite：當客戶端可以開始接受服務端發送數據時觸發該事件，通過該事件，我們可以向客戶端發送迴應數據。
在本模型中，事件處理器只需要在該事件中設置
（5）onClosed：當客戶端與服務器斷開連接時觸發該事件。
（6）onError：當客戶端與服務器從連接開始到最後斷開連接期間發生錯誤時觸發該事件。通過該事件我們可以知道有什麼錯誤發生。
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在這個模型中，事件採用廣播方式，也就是所有在冊的事件處理器都能獲得事件通知。這樣可以將不同性質的業務處理，分別用不同的處理器實現，使每個處理器的業務功能儘可能單一。
如下圖：整個事件模型由監聽器、事件適配器、事件觸發器、事件處理器組成。
- 監聽器（Serverlistener）：這是一個事件接口，定義需監聽的服務器事件，如果您需要定義更多的事件，可在這裏進行擴展。
public interface Serverlistener {
public void onError(String error);
public void onAccept() throws Exception;
public void onAccepted(Request request) throws Exception;
public void onRead(Request request) throws Exception;
public void onWrite(Request request, Response response) throws Exception;
public void onClosed(Request request) throws Exception;
} - 事件適配器（EventAdapter）：對Serverlistener接口實現一個適配器(EventAdapter)，這樣的好處是最終的事件處理器可以只處理所關心的事件。
public abstract class EventAdapter implements Serverlistener {
public EventAdapter() {
}
public void onError(String error) {}
public void onAccept() throws Exception {}
public void onAccepted(Request request) throws Exception {}
public void onRead(Request request) throws Exception {}
public void onWrite(Request request, Response response) throws Exception {}
public void onClosed(Request request) throws Exception {}
} - 事件觸發器（Notifier）：用於在適當的時候通過觸發服務器事件，通知在冊的事件處理器對事件做出響應。觸發器以Singleton模式實現，統一控制整個服務器端的事件，避免造成混亂。
public class Notifier {
private static Arraylist listeners = null;
private static Notifier instance = null;
private Notifier() {
listeners = new Arraylist();
}
/**
* 獲取事件觸發器
* @return 返回事件觸發器
*/
public static synchronized Notifier getNotifier() {
if (instance == null) {
instance = new Notifier();
return instance;
}
else return instance;
}
/**
* 添加事件監聽器
* @param l 監聽器
*/
public void addlistener(Serverlistener l) {
synchronized (listeners) {
if (!listeners.contains(l))
listeners.add(l);
}
}
public void fireOnAccept() throws Exception {
for (int i = listeners.size() - 1; i >= 0; i--)
( (Serverlistener) listeners.get(i)).onAccept();
}
....// other fire method
} - 事件處理器（Handler）：繼承事件適配器，對感興趣的事件進行響應處理，實現業務處理。以下是一個簡單的事件處理器實現，它響應onRead事件，在終端打印出從客戶端讀取的數據。
public class ServerHandler extends EventAdapter {
public ServerHandler() {
}
public void onRead(Request request) throws Exception {
System.out.println("Received: " + new String(data));
}
} - 事件處理器的註冊。爲了能讓事件處理器獲得服務線程的事件通知，事件處理器需在觸發器中註冊。
ServerHandler handler = new ServerHandler();
Notifier.addlistener(handler);
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NIO多線程服務器主要由主控服務線程、讀線程和寫線程組成。
- 主控服務線程（Server）：主控線程將創建讀、寫線程池，實現監聽、接受客戶端請求，同時將讀、寫通道提交由相應的讀線程（Reader）和寫服務線程(Writer）
，由讀寫線程分別完成對客戶端數據的讀取和對客戶端的迴應操作。
public class Server implements Runnable {
....
private static int MAX_THREADS = 4;
public Server(int port) throws Exception {
....
// 創建無阻塞網絡套接
selector = Selector.open();
sschannel = ServerSocketChannel.open();
sschannel.configureBlocking(false);
address = new InetSocketAddress(port);
ServerSocket ss = sschannel.socket();
ss.bind(address);
sschannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
}
public void run() {
System.out.println("Server started ...");
System.out.println("Server listening on port: " + port);
// 監聽
while (true) {
try {
int num = 0;
num = selector.select();
if (num > 0) {
Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator it = selectedKeys.iterator();
while (it.hasNext()) {
SelectionKey key = (SelectionKey) it.next();
it.remove();
// 處理IO事件
if ( (key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT) {
// Accept the new connection
ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();
notifier.fireOnAccept();
SocketChannel sc = ssc.accept();
sc.configureBlocking(false);
// 觸發接受連接事件
Request request = new Request(sc);
notifier.fireOnAccepted(request);
// 註冊讀操作,以進行下一步的讀操作
sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ, request);
}
else if ( (key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == SelectionKey.OP_READ ) {
Reader.processRequest(key); // 提交讀服務線程讀取客戶端數據
key.cancel();
}
else if ( (key.readyOps() & SelectionKey.OP_WRITE) == SelectionKey.OP_WRITE ) {
Writer.processRequest(key); // 提交寫服務線程向客戶端發送迴應數據
key.cancel();
}
}
}
else {
addRegister(); // 在Selector中註冊新的寫通道
}
}
catch (Exception e) {
notifier.fireOnError("Error occured in Server: " + e.getMessage());
continue;
}
}
}
....
} - 讀線程（Reader）：使用線程池技術，通過多個線程讀取客戶端數據，以充分利用網絡數據傳輸的時間，提高讀取效率。
public class Reader extends Thread {
public void run() {
while (true) {
try {
SelectionKey key;
synchronized (pool) {
while (pool.isEmpty()) {
pool.wait();
}
key = (SelectionKey) pool.remove(0);
}
// 讀取客戶端數據，並觸發onRead事件
read(key);
}
catch (Exception e) {
continue;
}
}
}
....
} - 寫線程（Writer）：和讀操作一樣，使用線程池，負責將服務器端的數據發送回客戶端。
public final class Writer extends Thread {
public void run() {
while (true) {
try {
SelectionKey key;
synchronized (pool) {
while (pool.isEmpty()) {
pool.wait();
}
key = (SelectionKey) pool.remove(0);
}
// 向客戶端發送數據，然後關閉連接，並分別觸發onWrite，onClosed事件
write(key);
}
catch (Exception e) {
continue;
}
}
}
....
}
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NIO多線程模型的實現告一段落，現在我們可以暫且將NIO的各個API和煩瑣的調用方法拋於腦後，專心於我們的實際應用中。
我們用一個簡單的TimeServer（時間查詢服務器）來看看該模型能帶來多麼簡潔的開發方式。
在
這個TimeServer中，將提供兩種語言（中文、英文）的時間查詢服務。我們將讀取客戶端的查詢命令（GB/EN），並回應相應語言格式的當前時間。
在應答客戶的請求的同時，服務器將進行日誌記錄。做爲示例，對日誌記錄，我們只是簡單地將客戶端的訪問時間和IP地址輸出到服務器的終端上。
- 實現時間查詢服務的事件處理器（TimeHandler）：
public class TimeHandler extends EventAdapter {
public TimeHandler() {
}
public void onWrite(Request request, Response response) throws Exception {
String command = new String(request.getDataInput());
String time = null;
Date date = new Date();
// 判斷查詢命令
if (command.equals("GB")) {
// 中文格式
DateFormat cnDate = DateFormat.getDateTimeInstance(DateFormat.FulL,
DateFormat.FulL, Locale.CHINA);
time = cnDate.format(date);
}
else {
// 英文格式
DateFormat enDate = DateFormat.getDateTimeInstance(DateFormat.FulL,
DateFormat.FulL, Locale.US);
time = enDate.format(date);
}
response.send(time.getBytes());
}
} - 實現日誌記錄服務的事件處理器（LogHandler）：
public class LogHandler extends EventAdapter {
public LogHandler() {
}
public void onClosed(Request request) throws Exception {
String log = new Date().toString() + " from " + request.getAddress().toString();
System.out.println(log);
}
public void onError(String error) {
System.out.println("Error: " + error);
}
} - 啓動程序：
public class Start {
public static void main(String[] args) {
try {
LogHandler loger = new LogHandler();
TimeHandler timer = new TimeHandler();
Notifier notifier = Notifier.getNotifier();
notifier.addlistener(loger);
notifier.addlistener(timer);
System.out.println("Server starting ...");
Server server = new Server(5100);
Thread tServer = new Thread(server);
tServer.start();
}
catch (Exception e) {
System.out.println("Server error: " + e.getMessage());
System.exit(-1);
}
}
}
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通過例子我們可以看到，基於事件回調的NIO多線程服務器模型，提供了清晰直觀的實現方式，可讓開發者從NIO及多線程的技術細節中擺脫出來，集中精力關注具體的業務實現。
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演示程序（ nioserver.zip ）。
- “ Merlin 給 Java 平臺帶來了非阻塞 I/O ”（ developerWorks ，2002 年 3 月）。
- developerWorks 教程“ NIO 入門 ”（ developerWorks ，2003 年 11 月）。
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黃林榕，J2EE軟件工程師，同時擁有經濟學學位。擅長可複用組件的開發和軟件框架設計。您可以在 xdevelop.net 網站上獲得他最新開發的組件。 |
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