通过观察者模式和Reactor模式深入理解JAVA NIO 线程

Java　NIO非堵塞应用通常适用用在I/O读写等方面，我们知道，系统运行的性能瓶颈通常在I/O读写，包括对端口和文件的操作上，过去，在打 开一个I/O通道后，read()将一直等待在端口一边读取字节内容，如果没有内容进来，read()也是傻傻的等，这会影响我们程序继续做其他事情，那 么改进做法就是开设线程，让线程去等待，但是这样做也是相当耗费资源（传统socket通讯服务器设计模式） 的。

Java NIO非堵塞技术实际是采取Reactor模式，或者说是Observer模式为我们监察I/O端口，如果有内容进来，会自动通知我们，这样，我们就不必开启多个线程死等，从外界看，实现了流畅的I/O读写，不堵塞了。

Java NIO出现不只是一个技术性能的提高，你会发现网络上到处在介绍它，因为它具有里程碑意义，从JDK1.4开始，Java开始提高性能相关的功能，从而使得Java在底层或者并行分布式 计算等操作上已经可以和C或Perl等语言并驾齐驱。

如果你至今还是在怀疑Java的性能，说明你的思想和观念已经完全落伍了，Java一两年就应该用新的名词来定义。从JDK1.5开始又要提供关于线程、并发等新性能的支持，Java应用在游戏等适时领域方面的机会已经成熟，Java在稳定自己中间件 地位后，开始蚕食传统C的领域。

本文主要简单介绍NIO的基本原理，

NIO主要原理 和适用。

NIO 有一个主要的类Selector,这个类似一个观察者 ，只要我们把需要探知的 socketchannel告诉Selector,我们接着做别的事情，当有事件发生时，他会通知我们，传回一组SelectionKey,我们读取这些 Key,就会获得我们刚刚注册过的socketchannel,然后，我们从这个Channel中读取数据，放心，包准能够读到，接着我们可以处理这些数据。

Selector内部原理实际是在做一个对所注册的channel的轮询访问 ，不断的轮询(目前就这一个算法)，一旦轮询到一个channel有所注册的事情发生，比如数据来了，他就会站起来报告，交出一把钥匙，让我们通过这把钥匙（SelectionKey 表示 SelectableChannel 在 Selector 中的注册的标记。 ）来读取这个channel的内容。

了解了这个基本原理，我们结合代码看看使用，在使用上，也在分两个方向，一个是线程处理，一个是用非线程，后者比较简单，看下面代码：


import java.io.*;
import java.nio.*;
import java.nio.channels.*;
import java.nio.channels.spi.*;
import java.net.*;
import java.util.*;
/**
*
* @author Administrator
* @version
*/

public class NBTest {


　　/** Creates new NBTest */
　　public NBTest()
　　{
　　}

　　public void startServer() throws Exception
　　{
　　int channels = 0;
　　int nKeys = 0;
　　int currentSelector = 0;

　　//使用Selector
　　Selector selector = Selector.open();

　　//建立Channel 并绑定到9000端口
　　ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
　　InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),9000);
　　ssc.socket().bind(address);

　　//使设定non-blocking的方式。
　　ssc.configureBlocking(false);

　　//向Selector注册Channel及我们有兴趣的事件
　　SelectionKey s = ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
　　printKeyInfo(s);

　　while(true) //不断的轮询
　　{
　　　　debug("NBTest: Starting select");

　　　　//Selector通过select方法通知我们我们感兴趣的事件发生了。
　　　　nKeys = selector.select();
　　　　//如果有我们注册的事情发生了，它的传回值就会大于0
　　　　if(nKeys > 0)
　　　　{
　　　　　　debug("NBTest: Number of keys after select operation: " +nKeys);

　　　　　　//Selector传回一组SelectionKeys
　　　　　　//我们从这些key中的channel()方法中取得我们刚刚注册的channel。
　　　　　　Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
　　　　　　Iterator i = selectedKeys.iterator();
　　　　　　while(i.hasNext())
　　　　　　{
　　　　　　 　 s = (SelectionKey) i.next();
　　　　　　 　 printKeyInfo(s);
　　　　　　 　 debug("NBTest: Nr Keys in selector: " +selector.keys().size());

　　　　　　 　 //一个key被处理完成后，就都被从就绪关键字（ready keys）列表中除去（测试 ）
　　　　　　 　 i.remove();
　　　　　　 　 if(s.isAcceptable())
　　　　　　 　 {
　　　　　　 　 　 // 从channel()中取得我们刚刚注册的channel。
　　　　　　 　 　 Socket socket = ((ServerSocketChannel)s.channel()).accept().socket();
　　　　　　 　 　 SocketChannel sc = socket.getChannel();

　　　　　　 　 　 sc.configureBlocking(false);
　　　　　　 　 　 sc.register(selector, SelectionKey.OP_READ |SelectionKey.OP_WRITE);
　　　　　　 　 　 　　　　　　 　 　 System.out.println(++channels);
　　　　　　 　 }
　　　　　　 　 else
　　　　　　 　 {
　　　　　　 　 　 debug("NBTest: Channel not acceptable");
　　　　　　 　 }
　　　　　 }
　　　}
　　　else
　　　{
　　　　　　debug("NBTest: Select finished without any keys.");
　　　}

　 }

}


private static void debug(String s)
{
　 System.out.println(s);
}


private static void printKeyInfo(SelectionKey sk)
{
　 String s = new String();

　 s = "Att: " + (sk.attachment() == null ? "no" : "yes");
　 s += ", Read: " + sk.isReadable();
　 s += ", Acpt: " + sk.isAcceptable();
　 s += ", Cnct: " + sk.isConnectable();
　 s += ", Wrt: " + sk.isWritable();
　 s += ", Valid: " + sk.isValid();
　 s += ", Ops: " + sk.interestOps();
　 debug(s);
}


/**
* @param args the command line arguments
*/
public static void main (String args[])
{
　 NBTest nbTest = new NBTest();
　 try
　 {
　 　 nbTest.startServer();
　 }
　 　 catch(Exception e)
　 {
　 　 e.printStackTrace();
　 }
}

}

这是一个守候在端口9000的noblock server例子，如果我们编制一个客户端程序，就可以对它进行互动操作，或者使用telnet 主机名　90000 可以链接上。

通过仔细阅读这个例程，相信你已经大致了解NIO的原理和使用方法，下一篇，我们将使用多线程来处理这些数据，再搭建一个自己的Reactor模式。

当前分布式计算　Web Services盛行天下，这些网络服务的底层都离不开对socket的操作。他们都有一个共同的结构：
1. Read request
2. Decode request
3. Process service
4. Encode reply
5. Send reply

经典的网络服务的设计如下图，在每个线程中完成对数据的处理：


但这种模式在用户负载增加时，性能将下降非常的快。我们需要重新寻找一个新的方案，保持数据处理的流畅，很显然，事件触发机制是最好的解决办法，当有事件发生时，会触动handler,然后开始数据的处理。

Reactor模式类似于AWT中的Event处理：


Reactor模式参与者

1.Reactor 负责响应IO事件，一旦发生，广播发送给相应的Handler去处理,这类似于AWT的thread
2.Handler 是负责非堵塞行为，类似于AWT ActionListeners；同时负责将handlers与event事件绑定，类似于AWT addActionListener

如图：


Java的NIO为reactor模式提供了实现的基础机制，它的Selector当发现某个channel有数据时，会通过SlectorKey来告知我们，在此我们实现事件和handler的绑定。

我们来看看Reactor模式代码:

public class Reactor implements Runnable{

　　final Selector selector;
　　final ServerSocketChannel serverSocket;

　　Reactor(int port) throws IOException {
　　　　selector = Selector.open();
　　　　serverSocket = ServerSocketChannel.open();
　　　　InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),port);
　　　　serverSocket.socket().bind(address);

　　　　serverSocket.configureBlocking(false);
　　　　//向selector注册该channel
　　　　 SelectionKey sk =serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);

　　　　logger.debug("-->Start serverSocket.register!");

　　　　//利用sk的attache功能绑定Acceptor 如果有事情，触发Acceptor
　　　　sk.attach(new Acceptor());
　　　　logger.debug("-->attach(new Acceptor()!");
　　}


　　public void run() { // normally in a new Thread
　　　　try {
　　　　while (!Thread.interrupted())
　　　　{
　　　　　　selector.select();
　　　　　　Set selected = selector.selectedKeys();
　　　　　　Iterator it = selected.iterator();
　　　　　　//Selector如果发现channel有OP_ACCEPT或READ事件发生，下列遍历就会进行。
　　　　　　while (it.hasNext())
　　　　　　　　//来一个事件 第一次触发一个accepter线程
　　　　　　　　//以后触发SocketReadHandler
　　　　　　　　dispatch((SelectionKey)(it.next()));
　　　　　　　　selected.clear();
　　　　　　}
　　　　}catch (IOException ex) {
　　　　　　　　logger.debug("reactor stop!"+ex);
　　　　}
　　}

　　//运行Acceptor或SocketReadHandler
　　void dispatch(SelectionKey k) {
　　　　Runnable r = (Runnable)(k.attachment());
　　　　if (r != null){
　　　　　　// r.run();

　　　　}
　　}

　　class Acceptor implements Runnable { // inner
　　　　public void run() {
　　　　try {
　　　　　　logger.debug("-->ready for accept!");
　　　　　　SocketChannel c = serverSocket.accept();
　　　　　　if (c != null)
　　　　　　　　//调用Handler来处理channel
　　　　　　　　new SocketReadHandler(selector, c);
　　　　　　}
　　　　catch(IOException ex) {
　　　　　　logger.debug("accept stop!"+ex);
　　　　}
　　　　}
　　}
}



以上代码中巧妙使用了SocketChannel的attach功能，将Hanlder和可能会发生事件的channel链接在一起，当发生事件时，可以立即触发相应链接的Handler。

再看看Handler代码:
public class SocketReadHandler implements Runnable {

　　public static Logger logger = Logger.getLogger(SocketReadHandler.class);

　　private Test test=new Test();

　　final SocketChannel socket;
　　final SelectionKey sk;

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

　　public SocketReadHandler(Selector sel, SocketChannel c)
　　　　throws IOException {

　　　　socket = c;

　　　　socket.configureBlocking(false);
　　　　 sk = socket.register(sel, 0);

　　　　//将SelectionKey绑定为本Handler 下一步有事件触发时，将调用本类的run方法。
　　　　//参看dispatch(SelectionKey k)
　　　　sk.attach(this);

　　　　//同时将SelectionKey标记为可读，以便读取。
　　　　sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
　　　　sel.wakeup();
　　}

　　public void run() {
　　　　try{
　　　　// test.read(socket,input);
　　　　　　readRequest() ;
　　　　}catch(Exception ex){
　　　　logger.debug("readRequest error"+ex);
　　　　}
　　}


/**
* 处理读取data
* @param key
* @throws Exception
*/
private void readRequest() throws Exception {

　　ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(1024);
　　input.clear();
　　try{

　　　　int bytesRead = socket.read(input);

　　　　......

　　　　//激活线程池 处理这些request
　　　　requestHandle(new Request(socket,btt));

　　　　.....


　　}catch(Exception e) {
　　}

}


注意在Handler里面又执行了一次attach，这样，覆盖前面的Acceptor，下次该Handler又有READ事件发生时，将直接触发Handler.从而开始了数据的读　处理　写　发出等流程处理。

将数据读出后，可以将这些数据处理线程做成一个线程池，这样，数据读出后，立即扔到线程池中，这样加速处理速度：



更进一步，我们可以使用多个Selector分别处理连接和读事件。

一个高性能的Java网络服务机制就要形成，激动人心的集群并行计算即将实现。

评论

1 楼 eonn 2010-09-07  

非常好，能不能发个完整的代码包，好研究研究呀！