Erlo

折腾了我一周,原来Netty网络编程就是这么个破玩意儿!!!

收藏 2022-12-29 14:30:31   25   博客园
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1、阻塞

  • 阻塞模式下,相关方法都会导致线程暂停
    • ServerSocketChannel.accept 会在没有连接建立时让线程暂停
    • SocketChannel.read 会在通道中没有数据可读时让线程暂停
    • 阻塞的表现其实就是线程暂停了,暂停期间不会占用 cpu,但线程相当于闲置
  • 单线程下,阻塞方法之间相互影响,几乎不能正常工作,需要多线程支持
  • 但多线程下,有新的问题,体现在以下方面
    • 32 位 jvm 一个线程 320k,64 位 jvm 一个线程 1024k,如果连接数过多,必然导致 OOM,并且线程太多,反而会因为频繁上下文切换导致性能降低
    • 可以采用线程池技术来减少线程数和线程上下文切换,但治标不治本,如果有很多连接建立,但长时间 inactive,会阻塞线程池中所有线程,因此不适合长连接,只适合短连接

服务端代码

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                System.out.println("before connecting...");
                // 没有连接时,会阻塞线程
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                System.out.println("after connecting...");
                channels.add(socketChannel);
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    System.out.println("before reading");
                    // 处理通道中的数据
                    // 当通道中没有数据可读时,会阻塞线程
                    channel.read(buffer);
                    buffer.flip();
                    ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                    buffer.clear();
                    System.out.println("after reading");
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

客户端代码

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        try (SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open()) {
            // 建立连接
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
            System.out.println("waiting...");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行结果

  • 客户端 - 服务器建立连接前:服务器端因 accept 阻塞

file

  • 客户端 - 服务器建立连接后,客户端发送消息前:服务器端因通道为空被阻塞

file

  • 客户端发送数据后,服务器处理通道中的数据。再次进入循环时,再次被 accept 阻塞

file

  • 之前的客户端再次发送消息,服务器端因为被 accept 阻塞,无法处理之前客户端发送到通道中的信息

file

2、非阻塞

  • 可以通过 ServerSocketChannel 的 configureBlocking (false) 方法将 获得连接设置为非阻塞的。此时若没有连接,accept 会返回 null
  • 可以通过 SocketChannel 的 configureBlocking (false) 方法将从通道中 读取数据设置为非阻塞的。若此时通道中没有数据可读,read 会返回 - 1

服务器代码如下

public class Server {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建缓冲区
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 设置为非阻塞模式,没有连接时返回null,不会阻塞线程
            server.configureBlocking(false);
            // 为服务器通道绑定端口
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 用户存放连接的集合
            ArrayList channels = new ArrayList<>();
            // 循环接收连接
            while (true) {
                
              
                SocketChannel socketChannel = server.accept();
                // 通道不为空时才将连接放入到集合中
                if (socketChannel != null) {
                    System.out.println("after connecting...");
                    channels.add(socketChannel);
                }
                // 循环遍历集合中的连接
                for(SocketChannel channel : channels) {
                    // 处理通道中的数据
                    // 设置为非阻塞模式,若通道中没有数据,会返回0,不会阻塞线程
                    channel.configureBlocking(false);
                    int read = channel.read(buffer);
                    if(read > 0) {
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        System.out.println("after reading");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这样写存在一个问题,因为设置为了非阻塞,会一直执行 while (true) 中的代码,CPU 一直处于忙碌状态,会使得性能变低,所以实际情况中不使用这种方法处理请求

3、Selector

多路复用

单线程可以配合 Selector 完成对多个 Channel 可读写事件的监控,这称之为多路复用

  • 多路复用仅针对网络 IO,普通文件 IO 无法利用多路复用
  • 如果不用 Selector 的非阻塞模式,线程大部分时间都在做无用功,而 Selector 能够保证
    • 有可连接事件时才去连接
    • 有可读事件才去读取
    • 有可写事件才去写入
      • 限于网络传输能力,Channel 未必时时可写,一旦 Channel 可写,会触发 Selector 的可写事件

4、使用及 Accpet 事件

要使用 Selector 实现多路复用,服务端代码如下改进

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                // 若没有事件就绪,线程会被阻塞,反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                
                // 获取所有事件
                Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        
        				// 获取连接并处理,而且是必须处理,否则需要取消
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

步骤解析

  • 获得选择器 Selector
Selector selector = Selector.open();
  • 将通道设置为非阻塞模式,并注册到选择器中,并设置感兴趣的事件
    • channel 必须工作在非阻塞模式
    • FileChannel 没有非阻塞模式,因此不能配合 selector 一起使用
    • 绑定的事件类型可以有
      • connect - 客户端连接成功时触发
  • accept - 服务器端成功接受连接时触发
    • read - 数据可读入时触发,有因为接收能力弱,数据暂不能读入的情况
  • write - 数据可写出时触发,有因为发送能力弱,数据暂不能写出的情况
// 通道必须设置为非阻塞模式
server.configureBlocking(false);
// 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的实践
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  • 通过 Selector 监听事件,并获得就绪的通道个数,若没有通道就绪,线程会被阻塞

    • 阻塞直到绑定事件发生

      int count = selector.select();
      
    • 阻塞直到绑定事件发生,或是超时(时间单位为 ms)

      int count = selector.select(long timeout);
      
    • 不会阻塞,也就是不管有没有事件,立刻返回,自己根据返回值检查是否有事件

      int count = selector.selectNow();
      
  • 获取就绪事件并得到对应的通道,然后进行处理

// 获取所有事件
Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                
// 使用迭代器遍历事件
Iterator iterator = selectionKeys.iterator();

while (iterator.hasNext()) {
	SelectionKey key = iterator.next();
                    
	// 判断key的类型,此处为Accept类型
	if(key.isAcceptable()) {
        // 获得key对应的channel
        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();

        // 获取连接并处理,而且是必须处理,否则需要取消
        SocketChannel socketChannel = channel.accept();

        // 处理完毕后移除
        iterator.remove();
	}
}

事件发生后能否不处理

事件发生后,要么处理,要么取消(cancel),不能什么都不做,否则下次该事件仍会触发,这是因为 nio 底层使用的是水平触发

5、Read 事件

  • 在 Accept 事件中,若有客户端与服务器端建立了连接,需要将其对应的 SocketChannel 设置为非阻塞,并注册到选择其中
    添加 Read 事件,触发后进行读取操作
  • 添加 Read 事件,触发后进行读取操作
public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的实践
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪,线程会被阻塞,反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式,同时将连接的通道也注册到选择其中
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        channel.read(buffer);
                        System.out.println("after reading...");
                        buffer.flip();
                        ByteBufferUtil.debugRead(buffer);
                        buffer.clear();
                        // 处理完毕后移除
                        iterator.remove();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

删除事件

当处理完一个事件后,一定要调用迭代器的 remove 方法移除对应事件,否则会出现错误。原因如下

以我们上面的 Read 事件 的代码为例

  • 当调用了 server.register (selector, SelectionKey.OP_ACCEPT) 后,Selector 中维护了一个集合,用于存放 SelectionKey 以及其对应的通道

    // WindowsSelectorImpl 中的 SelectionKeyImpl数组
    private SelectionKeyImpl[] channelArray = new SelectionKeyImpl[8];
    
    public class SelectionKeyImpl extends AbstractSelectionKey {
        // Key对应的通道
        final SelChImpl channel;
        ...
    }
    

file

  • 选择器中的通道对应的事件发生后,selecionKey 会被放到另一个集合中,但是 selecionKey 不会自动移除,所以需要我们在处理完一个事件后,通过迭代器手动移除其中的 selecionKey。否则会导致已被处理过的事件再次被处理,就会引发错误

file

断开处理

当客户端与服务器之间的连接断开时,会给服务器端发送一个读事件,对异常断开和正常断开需要加以不同的方式进行处理

  • 正常断开

    • 正常断开时,服务器端的 channel.read (buffer) 方法的返回值为 - 1,所以当结束到返回值为 - 1 时,需要调用 key 的 cancel 方法取消此事件,并在取消后移除该事件

      int read = channel.read(buffer);
      // 断开连接时,客户端会向服务器发送一个写事件,此时read的返回值为-1
      if(read == -1) {
          // 取消该事件的处理
      	key.cancel();
          channel.close();
      } else {
          ...
      }
      // 取消或者处理,都需要移除key
      iterator.remove();
      
  • 异常断开

    • 异常断开时,会抛出 IOException 异常, 在 try-catch 的 catch 块中捕获异常并调用 key 的 cancel 方法即可

消息边界

不处理消息边界存在的问题

将缓冲区的大小设置为 4 个字节,发送 2 个汉字(你好),通过 decode 解码并打印时,会出现乱码

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(4);
// 解码并打印
System.out.println(StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer));
你�
��

这是因为 UTF-8 字符集下,1 个汉字占用 3 个字节,此时缓冲区大小为 4 个字节,一次读时间无法处理完通道中的所有数据,所以一共会触发两次读事件。这就导致 你好 的 好 字被拆分为了前半部分和后半部分发送,解码时就会出现问题

处理消息边界

传输的文本可能有以下三种情况

  • 文本大于缓冲区大小
    • 此时需要将缓冲区进行扩容
  • 发生半包现象
  • 发生粘包现象

file

解决思路大致有以下三种

  • 固定消息长度,数据包大小一样,服务器按预定长度读取,当发送的数据较少时,需要将数据进行填充,直到长度与消息规定长度一致。缺点是浪费带宽

  • 另一种思路是按分隔符拆分,缺点是效率低,需要一个一个字符地去匹配分隔符

  • TLV 格式,即 Type 类型、Length 长度、Value 数据

    (也就是在消息开头用一些空间存放后面数据的长度),如 HTTP 请求头中的 Content-Type 与 Content-Length

    。类型和长度已知的情况下,就可以方便获取消息大小,分配合适的 buffer,缺点是 buffer 需要提前分配,如果内容过大,则影响 server 吞吐量

    • Http 1.1 是 TLV 格式
  • Http 2.0 是 LTV 格式

file

下文的消息边界处理方式为第二种:按分隔符拆分

附件与扩容

Channel 的 register 方法还有第三个参数:附件,可以向其中放入一个 Object 类型的对象,该对象会与登记的 Channel 以及其对应的 SelectionKey 绑定,可以从 SelectionKey 获取到对应通道的附件

public final SelectionKey register(Selector sel, int ops, Object att)

可通过 SelectionKey 的 attachment () 方法获得附件

ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();

我们需要在 Accept 事件发生后,将通道注册到 Selector 中时,对每个通道添加一个 ByteBuffer 附件,让每个通道发生读事件时都使用自己的通道,避免与其他通道发生冲突而导致问题

// 设置为非阻塞模式,同时将连接的通道也注册到选择其中,同时设置附件
socketChannel.configureBlocking(false);
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
// 添加通道对应的Buffer附件
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);

当 Channel 中的数据大于缓冲区时,需要对缓冲区进行扩容操作。此代码中的扩容的判定方法: Channel 调用 compact 方法后,的 position 与 limit 相等,说明缓冲区中的数据并未被读取(容量太小),此时创建新的缓冲区,其大小扩大为两倍。同时还要将旧缓冲区中的数据拷贝到新的缓冲区中,同时调用 SelectionKey 的 attach 方法将新的缓冲区作为新的附件放入 SelectionKey 中

// 如果缓冲区太小,就进行扩容
if (buffer.position() == buffer.limit()) {
    ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
    // 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
    ewBuffer.put(buffer);
    // 将新buffer作为附件放到key中
    key.attach(newBuffer);
}

改造后的服务器代码如下

public class SelectServer {
    public static void main(String[] args) {
        // 获得服务器通道
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 创建选择器
            Selector selector = Selector.open();
            // 通道必须设置为非阻塞模式
            server.configureBlocking(false);
            // 将通道注册到选择器中,并设置感兴趣的事件
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 为serverKey设置感兴趣的事件
            while (true) {
                // 若没有事件就绪,线程会被阻塞,反之不会被阻塞。从而避免了CPU空转
                // 返回值为就绪的事件个数
                int ready = selector.select();
                System.out.println("selector ready counts : " + ready);
                // 获取所有事件
                Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                // 使用迭代器遍历事件
                Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    // 判断key的类型
                    if(key.isAcceptable()) {
                        // 获得key对应的channel
                        ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before accepting...");
                        // 获取连接
                        SocketChannel socketChannel = channel.accept();
                        System.out.println("after accepting...");
                        // 设置为非阻塞模式,同时将连接的通道也注册到选择其中,同时设置附件
                        socketChannel.configureBlocking(false);
                        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                        socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ, buffer);
                        
                        
                    } else if (key.isReadable()) {
                        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
                        System.out.println("before reading...");
                        // 通过key获得附件(buffer)
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        int read = channel.read(buffer);
                        if(read == -1) {
                            key.cancel();
                            channel.close();
                        } else {
                            // 通过分隔符来分隔buffer中的数据
                            split(buffer);
                            // 如果缓冲区太小,就进行扩容
                            if (buffer.position() == buffer.limit()) {
                                ByteBuffer newBuffer = ByteBuffer.allocate(buffer.capacity()*2);
                                // 将旧buffer中的内容放入新的buffer中
                                buffer.flip();
                                newBuffer.put(buffer);
                                // 将新buffer放到key中作为附件
                                key.attach(newBuffer);
                            }
                        }
                        System.out.println("after reading...");
                       
                       
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void split(ByteBuffer buffer) {
        buffer.flip();
        for(int i = 0; i < buffer.limit(); i++) {
            // 遍历寻找分隔符
            // get(i)不会移动position
            if (buffer.get(i) == 'n') {
                // 缓冲区长度
                int length = i+1-buffer.position();
                ByteBuffer target = ByteBuffer.allocate(length);
                // 将前面的内容写入target缓冲区
                for(int j = 0; j < length; j++) {
                    // 将buffer中的数据写入target中
                    target.put(buffer.get());
                }
                // 打印结果
                ByteBufferUtil.debugAll(target);
            }
        }
        // 切换为写模式,但是缓冲区可能未读完,这里需要使用compact
        buffer.compact();
    }
}

ByteBuffer 的大小分配

  • 每个 channel 都需要记录可能被切分的消息,因为 ByteBuffer 不能被多个 channel 共同使用,因此需要为每个 channel 维护一个独立的 ByteBuffer
  • ByteBuffer 不能太大,比如一个 ByteBuffer 1Mb 的话,要支持百万连接就要 1Tb 内存,因此需要设计大小可变的 ByteBuffer
  • 分配思路可以参考
    • 一种思路是首先分配一个较小的 buffer,例如 4k,如果发现数据不够,再分配 8k 的 buffer,将 4k buffer 内容拷贝至 8k buffer,优点是消息连续容易处理,缺点是数据拷贝耗费性能
    • 另一种思路是用多个数组组成 buffer,一个数组不够,把多出来的内容写入新的数组,与前面的区别是消息存储不连续解析复杂,优点是避免了拷贝引起的性能损耗

6、Write 事件

服务器通过 Buffer 向通道中写入数据时,可能因为通道容量小于 Buffer 中的数据大小,导致无法一次性将 Buffer 中的数据全部写入到 Channel 中,这时便需要分多次写入,具体步骤如下

  • 执行一次写操作,向将 buffer 中的内容写入到 SocketChannel 中,然后判断 Buffer 中是否还有数据

  • 若 Buffer 中还有数据,则需要将 SockerChannel 注册到 Seletor 中,并关注写事件,同时将未写完的 Buffer 作为附件一起放入到 SelectionKey 中

 int write = socket.write(buffer);
// 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
if (buffer.hasRemaining()) {
    // 注册到Selector中,关注可写事件,并将buffer添加到key的附件中
    socket.configureBlocking(false);
    socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
}
  • 添加写事件的相关操作 key.isWritable(),对 Buffer 再次进行写操作
    • 每次写后需要判断 Buffer 中是否还有数据(是否写完)。若写完,需要移除 SelecionKey 中的 Buffer 附件,避免其占用过多内存,同时还需移除对写事件的关注
SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
// 获得buffer
ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
// 执行写操作
int write = socket.write(buffer);
System.out.println(write);
// 如果已经完成了写操作,需要移除key中的附件,同时不再对写事件感兴趣
if (!buffer.hasRemaining()) {
    key.attach(null);
    key.interestOps(0);
}

整体代码如下

public class WriteServer {
    public static void main(String[] args) {
        try(ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            server.configureBlocking(false);
            Selector selector = Selector.open();
            server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select();
                Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    // 处理后就移除事件
                    iterator.remove();
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 获得客户端的通道
                        SocketChannel socket = server.accept();
                        // 写入数据
                        StringBuilder builder = new StringBuilder();
                        for(int i = 0; i < 500000000; i++) {
                            builder.append("a");
                        }
                        ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode(builder.toString());
                        // 先执行一次Buffer->Channel的写入,如果未写完,就添加一个可写事件
                        int write = socket.write(buffer);
                        System.out.println(write);
                        // 通道中可能无法放入缓冲区中的所有数据
                        if (buffer.hasRemaining()) {
                            // 注册到Selector中,关注可写事件,并将buffer添加到key的附件中
                            socket.configureBlocking(false);
                            socket.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                        }
                    } else if (key.isWritable()) {
                        SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
                        // 获得buffer
                        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
                        // 执行写操作
                        int write = socket.write(buffer);
                        System.out.println(write);
                        // 如果已经完成了写操作,需要移除key中的附件,同时不再对写事件感兴趣
                        if (!buffer.hasRemaining()) {
                            key.attach(null);
                            key.interestOps(0);
                        }
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

7、优化

多线程优化

充分利用多核 CPU,分两组选择器

  • 单线程配一个选择器(Boss),专门处理 accept 事件
  • 创建 cpu 核心数的线程(Worker),每个线程配一个选择器,轮流处理 read 事件
实现思路
  • 创建一个负责处理 Accept 事件的 Boss 线程,与多个负责处理 Read 事件的 Worker 线程

  • Boss 线程执行的操作

    • 接受并处理 Accepet 事件,当 Accept 事件发生后,调用 Worker 的 register (SocketChannel socket) 方法,让 Worker 去处理 Read 事件,其中需要根据标识 robin 去判断将任务分配给哪个 Worker

      // 创建固定数量的Worker
      Worker[] workers = new Worker[4];
      // 用于负载均衡的原子整数
      AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
      // 负载均衡,轮询分配Worker
      workers[robin.getAndIncrement()% workers.length].register(socket);
      
    • register (SocketChannel socket) 方法会通过同步队列完成 Boss 线程与 Worker 线程之间的通信,让 SocketChannel 的注册任务被 Worker 线程执行。添加任务后需要调用 selector.wakeup () 来唤醒被阻塞的 Selector

      public void register(final SocketChannel socket) throws IOException {
          // 只启动一次
          if (!started) {
             // 初始化操作
          }
          // 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
          // 在Worker线程中执行注册事件
          queue.add(new Runnable() {
              @Override
              public void run() {
                  try {
                      socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                  } catch (IOException e) {
                      e.printStackTrace();
                  }
              }
          });
          // 唤醒被阻塞的Selector
          // select类似LockSupport中的park,wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
          selector.wakeup();
      }
      
  • Worker 线程执行的操作

    • 从同步队列中获取注册任务,并处理 Read 事件
实现代码
public class ThreadsServer {
    public static void main(String[] args) {
        try (ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open()) {
            // 当前线程为Boss线程
            Thread.currentThread().setName("Boss");
            server.bind(new InetSocketAddress(8080));
            // 负责轮询Accept事件的Selector
            Selector boss = Selector.open();
            server.configureBlocking(false);
            server.register(boss, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            // 创建固定数量的Worker
            Worker[] workers = new Worker[4];
            // 用于负载均衡的原子整数
            AtomicInteger robin = new AtomicInteger(0);
            for(int i = 0; i < workers.length; i++) {
                workers[i] = new Worker("worker-"+i);
            }
            while (true) {
                boss.select();
                Set selectionKeys = boss.selectedKeys();
                Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    // BossSelector负责Accept事件
                    if (key.isAcceptable()) {
                        // 建立连接
                        SocketChannel socket = server.accept();
                        System.out.println("connected... ");
                        socket.configureBlocking(false);
                        // socket注册到Worker的Selector中
                        System.out.println("before read...");
                        // 负载均衡,轮询分配Worker
                        workers[robin.getAndIncrement()% workers.length].register(socket);
                        System.out.println("after read...");
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        private Thread thread;
        private volatile Selector selector;
        private String name;
        private volatile boolean started = false;
        /**
         * 同步队列,用于Boss线程与Worker线程之间的通信
         */
        private ConcurrentLinkedQueue queue;

        public Worker(String name) {
            this.name = name;
        }

        public void register(final SocketChannel socket) throws IOException {
            // 只启动一次
            if (!started) {
                thread = new Thread(this, name);
                selector = Selector.open();
                queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
                thread.start();
                started = true;
            }
            
            // 向同步队列中添加SocketChannel的注册事件
            // 在Worker线程中执行注册事件
            queue.add(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        socket.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
            // 唤醒被阻塞的Selector
            // select类似LockSupport中的park,wakeup的原理类似LockSupport中的unpark
            selector.wakeup();
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                try {
                    selector.select();
                    // 通过同步队列获得任务并运行
                    Runnable task = queue.poll();
                    if (task != null) {
                        // 获得任务,执行注册操作
                        task.run();
                    }
                    Set selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator iterator = selectionKeys.iterator();
                    while(iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        // Worker只负责Read事件
                        if (key.isReadable()) {
                            // 简化处理,省略细节
                            SocketChannel socket = (SocketChannel) key.channel();
                            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(16);
                            socket.read(buffer);
                            buffer.flip();
                            ByteBufferUtil.debugAll(buffer);
                        }
                    }
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

本文由传智教育博学谷教研团队发布。

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