Leader Follower线程模型简单实现

在我们编写网络服务程序时,比较简单的方式是per client per thread模型,这种模型当客户端连接数快速增长是就会出现性能瓶颈,我们不能不断的开启新的线程,当然我们肯定是会使用线程池,但是线程的管理和频繁的线程调度也会影响性能.

java 1.4给我们带来了NIO编程模型,由于它的读写操作都是无阻塞的,这样使我们能够只用一个线程处理所有的IO事件,当然我们不会真的只用一个线程来处理,比较常见的编写NIO网络服务程序的模型是半同步-半异步模式，其实现原理大体上是单线程同步处理网络IO请求,当有请求到达时,将该请求放入一个工作队列中,由另外的线程处理,主线程继续等待新的网络IO请求,这种编程模型的缺点主要是:
1.使用工作队列带来的内存的动态分配问题
2.每次网络IO请求,总是分配给另外一个线程处理,这样频繁的线程的context switching也会 影响性能

解决的方案是使用Leader-Follower线程模型,它的基本思想是所有的线程被分配成两种角色:
Leader和Follower,一般同时只有一个Leader线程,所有的Follower线程排队等待成为Leader线程,线程池启动时自动产生一个Leader负责等待网络IO事件,当有一个事件产生时,Leader线程首先通知一个Follower线程,并将其提拔为新的Leader,然后自己去处理这个网络事件,处理完毕后加入Follower线程等待队列,等待重新成为Leader.

这个线程模型主要解决了内存的动态分配问题,我们不需要不断的将到来的网络IO事件放入队列,并且等待网络IO事件的线程在等到网络事件的发生后,是自己处理的这个事件,也就是说没有context switching的过程.

下面是简单的代码演示

首先定义我们的事件模型Event

public interface Event {
	SelectableChannel getChannel();
}

它的实现:

public class DefaultEventImpl implements Event {
	private SelectableChannel channel;

	public DefaultEventImpl(SelectableChannel channel) {
		this.channel = channel;
	}

	@Override
	public SelectableChannel getChannel() {
		return this.channel;
	}
}

然后定义我们的EventHandler

public interface EventHandler {
	/**
	 * this can be blocked
	 * 
	 * @return Event
	 */
	Event pollEvent();

	void handleEvent(Event e);
}

其中的pollEvent()方法会阻塞,当有网络请求时返回一个我们封装的Event对象,其实里面大体上就是select()方法

接下来是我们的核心部分,Leader-Follower线程池的定义

public interface LFThreadPool {
	void start();

	void promoteLeader();

	void waitToBeLeader();
}

通过start方法启动线程池,然后调用一次promoteLeader产生了一个Leader线程等待网络事件的到达,其余线程则是waitToBeLeader的状态.

我们还定义了一个Worker线程模型

public interface WorkerThread extends Runnable {
	void start();
}

start方法主要是启动所有的workers,其实觉得可以省去这个接口的


然后看一下我们的worker thread实现

public class DefaultWorkerThread implements WorkerThread {
	private LFThreadPool pool;
	private EventHandler handler;
	private boolean isActive;

	public DefaultWorkerThread(DefaultLFThreadPoolImpl pool,
			EventHandler handler) {
		this.pool = pool;
		this.handler = handler;
	}

	@Override
	public void run() {
		while (isActive) {
			this.pool.waitToBeLeader();
           //阻塞等待pollEvent返回待处理的事件,此处等待的是Leader线程
			Event event = handler.pollEvent();
           //notify 唤醒一个正在等待的线程成为leader,由它来等待新的
           //网络事件到达,自己则去处理当前的IO事件
			this.pool.promoteLeader();

			handler.handleEvent(event);
           //处理完毕后you重新waitToBeLeader等待成为Leader
		}
	}

	@Override
	public synchronized void start() {
		if (!isActive) {
			isActive = true;
		}
		new Thread(this).start();
	}

}

最后是我们的线程池的实现部分,看一下LFThreadPool的实现

public class DefaultLFThreadPoolImpl implements LFThreadPool {
	private WorkerThread[] workers;
	private boolean isActive;
	private Object semaphore = new Object();

	public DefaultLFThreadPoolImpl(int poolSize, EventHandler handler) {
		workers = new DefaultWorkerThread[poolSize];
		for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
			workers[i] = new DefaultWorkerThread(this, handler);
		}
	}

	@Override
	public synchronized void start() {

		if (!isActive) {
           //启动所有的workers
			for (int i = 0; i < workers.length; i++) {
				workers[i].start();
			}
            //保证所有的workers已经启动
			try {
				Thread.sleep(100);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
            //产生一个Leader线程
			promoteLeader();

			isActive = true;
		}
	}

	@Override
	public void promoteLeader() {
		synchronized (semaphore) {
			semaphore.notify();
		}
	}

	@Override
	public void waitToBeLeader() {
		synchronized (semaphore) {
			try {
				semaphore.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

}

整个过程中没有动态内存分配,也没有频繁的context switching,应该可以提高部分效率,后续会发出完整的程序,欢迎大家指正.