您認(rèn)為把 NIO 和 Servlet API 組合在一起是不可能的？請再好好想一下。在本文中，Java 開發(fā)人員 Taylor Cowan 向您展示了如何把生產(chǎn)者/消費者模型應(yīng)用到消費者非阻塞 I/O，從而輕松地讓 Servlet API 全新地兼容 NIO。在這個過程中，您將會看到采用了什么來創(chuàng)建實際的基于 Servlet 并實現(xiàn)了 NIO 的 Web 服務(wù)器；您也將發(fā)現(xiàn)在企業(yè)環(huán)境中，那個服務(wù)器是如何以標(biāo)準(zhǔn)的 Java I/O 服務(wù)器（Tomcat 5.0）為基礎(chǔ)而創(chuàng)建的。
NIO 是帶有 JDK 1.4 的 Java 平臺的最有名（如果不是最出色的）的添加部分之一。下面的許多文章闡述了 NIO 的基本知識及如何利用非阻塞通道的好處。但它們所遺漏的一件事正是，沒有充分地展示 NIO 如何可以提高 J2EE Web 層的可伸縮性。對于企業(yè)開發(fā)人員來說，這些信息特別密切相關(guān)，因為實現(xiàn) NIO 不像把少數(shù)幾個 import 語句改變成一個新的 I/O 包那樣簡單。首先，Servlet API 采用阻塞 I/O 語義，因此默認(rèn)情況下，它不能利用非阻塞 I/O。其次，不像 JDK 1.0 中那樣，線程不再是“資源獨占”（resource hog），因此使用較少的線程不一定表明服務(wù)器可以處理更多的客戶機。
在本文中，為了創(chuàng)建基于 Servlet 并實現(xiàn)了 NIO 的 Web 服務(wù)器，您將學(xué)習(xí)如何解決 Servlet API 與非阻塞 I/O 的不配合問題。我們將會看到在多元的 Web 服務(wù)器環(huán)境中，這個服務(wù)器是如何針對標(biāo)準(zhǔn) I/O 服務(wù)器（Tomcat 5.0）進(jìn)行伸縮的。為符合企業(yè)中生存期的事實，我們將重點放在當(dāng)保持 socket 連接的客戶機數(shù)量以指數(shù)級增長時，NIO 與標(biāo)準(zhǔn) I/O 相比較的情況如何。
注意，本文針對某些 Java 開發(fā)人員，他們已經(jīng)熟悉了 Java 平臺上 I/O 編程的基礎(chǔ)知識。有關(guān)非阻塞 I/O 的介紹，請參閱 參考資料 部分。
線程不再昂貴
大家都知道，線程是比較昂貴的。在 Java 平臺的早期（JDK 1.0），線程的開銷是一個很大負(fù)擔(dān)，因此強制開發(fā)人員自定義生成解決方案。一個常見的解決方案是使用 VM 啟動時創(chuàng)建的線程池，而不是按需創(chuàng)建每個新線程。盡管最近在 VM 層上提高了線程的性能，但標(biāo)準(zhǔn) I/O 仍然要求分配惟一的線程來處理每個新打開的 socket。就短期而言，這工作得相當(dāng)不錯，但當(dāng)線程的數(shù)量增加超過了 1K，標(biāo)準(zhǔn) I/O 的不足就表現(xiàn)出來了。由于要在線程間進(jìn)行上下文切換，因此 CPU 簡直變成了超載。
由于 JDK 1.4 中引入了 NIO，企業(yè)開發(fā)人員最終有了“單線程”模型的一個內(nèi)置解決方案：多元 I/O 使得固定數(shù)量的線程可以服務(wù)不斷增長的用戶數(shù)量。
多路復(fù)用（Multiplexing）指的是通過一個載波來同時發(fā)送多個信號或流。當(dāng)使用手機時，日常的多路復(fù)用例子就發(fā)生了。無線頻率是稀有的資源，因此無線頻率提供商使用多路復(fù)用技術(shù)通過一個頻率發(fā)送多個呼叫。在一個例子中，把呼叫分成一些段，然后給這些段很短的持續(xù)時間，并在接收端重新裝配。這就叫做 時分多路復(fù)用（time-division multiplexing），即 TDM。
在 NIO 中，接收端相當(dāng)于“選擇器”（參閱 java.nio.channels.Selector ）。不是處理呼叫，選擇器是處理多個打開的 socket。就像在 TDM 中那樣，選擇器重新裝配從多個客戶機寫入的數(shù)據(jù)段。這使得服務(wù)器可以用單個線程管理多個客戶機。
Servlet API 和 NIO
對于 NIO，非阻塞讀寫是必要的，但它們并不是完全沒有麻煩。除了不會阻塞之外，非阻塞讀不能給呼叫方任何保證。客戶機或服務(wù)器應(yīng)用程序可能讀取完整信息、部分消息或者根本讀取不到消息。另外，非阻塞讀可能讀取到太多的消息，從而強制為下一個呼叫準(zhǔn)備一個額外的緩沖區(qū)。最后，不像流那樣，讀取了零字節(jié)并不表明已經(jīng)完全接收了消息。
這些因素使得沒有輪詢就不可能實現(xiàn)甚至是簡單的 readline 方法。所有的 servlet 容器必須在它們的輸入流上提供 readline 方法。因此，許多開發(fā)人員放棄了創(chuàng)建基于 Servlet 并實現(xiàn)了 NIO 的 Web 應(yīng)用程序服務(wù)器。不過這里有一個解決方案，它組合了 Servlet API 和 NIO 的多元 I/O 的能力。
在下面的幾節(jié)中，您將學(xué)習(xí)如何使用 java.io.PipedInput 和 PipedOutputStream 類來把生產(chǎn)者/消費者模型應(yīng)用到消費者非阻塞 I/O。當(dāng)讀取非阻塞通道時，把它寫到正由第二個線程消費的管道。注意，這種分解映射線程不同于大多數(shù)基于 Java 的客戶機/服務(wù)器應(yīng)用程序。這里，我們讓一個線程單獨負(fù)責(zé)處理非阻塞通道（生產(chǎn)者），讓另一個線程單獨負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)作為流消費（消費者）。管道也為應(yīng)用程序服務(wù)器解決了非阻塞 I/O 問題，因為 servlet 在消費 I/O 時將采用阻塞語義。
示例服務(wù)器
示例服務(wù)器展示了 Servlet API 和 NIO 不兼容的生產(chǎn)者/消費者解決方案。該服務(wù)器與 Servlet API 非常相似，可以為成熟的基于 NIO 應(yīng)用程序服務(wù)器提供 POC (proof of concept)，是專門編寫來衡量 NIO 相對于標(biāo)準(zhǔn) Java I/O 的性能的。它處理簡單的 HTTP get 請求，并支持來自客戶機的 Keep-Alive 連接。這是重要的，因為多路復(fù)用 I/O 只證明在要求服務(wù)器處理大量打開的 scoket 連接時是有意的。
該服務(wù)器被分成兩個包： org.sse.server 和 org.sse.http 包中有提供主要 服務(wù)器 功能的類，比如如下的一些功能：接收新客戶機連接、閱讀消息和生成工作線程以處理請求。 http 包支持 HTTP 協(xié)議的一個子集。詳細(xì)闡述 HTTP 超出了本文的范圍。有關(guān)實現(xiàn)細(xì)節(jié)，請從 參考資料 部分下載代碼示例。
現(xiàn)在讓我們來看一下 org.sse.server 包中一些最重要的類。
Server 類
Server 類擁有多路復(fù)用循環(huán) —— 任何基于 NIO 服務(wù)器的核心。在清單 1 中，在服務(wù)器接收新客戶機或檢測到正把可用的字節(jié)寫到打開的 socket 前， select() 的調(diào)用阻塞了。這與標(biāo)準(zhǔn) Java I/O 的主要區(qū)別是，所有的數(shù)據(jù)都是在這個循環(huán)中讀取的。通常會把從特定 socket 中讀取字節(jié)的任務(wù)分配給一個新線程。使用 NIO 選擇器事件驅(qū)動方法，實際上可以用單個線程處理成千上萬的客戶機，不過，我們還會在后面看到線程仍有一個角色要扮演。
每個 select() 調(diào)用返回一組事件，指出新客戶機可用；新數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，可以讀取；或者客戶機準(zhǔn)備就緒，可以接收響應(yīng)。server 的 handleKey() 方法只對新客戶機（ key.isAcceptable() ）和傳入數(shù)據(jù) ( key.isReadable() ) 感興趣。到這里，工作就結(jié)束了，轉(zhuǎn)入 ServerEventHandler 類。
清單 1. Server.java 選擇器循環(huán)
public void listen() {
SelectionKey key = null;
try {
while (true) {
selector.select();
Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();
while (it.hasNext()) {
key = (SelectionKey) it.next();
handleKey(key);
it.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
key.cancel();
} catch (NullPointerException e) {
// NullPointer at sun.nio.ch.WindowsSelectorImpl, Bug: 4729342
e.printStackTrace();
}
}
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ServerEventHandler 類
ServerEventHandler 類響應(yīng)服務(wù)器事件。當(dāng)新客戶機變?yōu)榭捎脮r，它就實例化一個新的 Client 對象，該對象代表了那個客戶機的狀態(tài)。數(shù)據(jù)是以非阻塞方式從通道中讀取的，并被寫到 Client 對象中。 ServerEventHandler 對象也維護(hù)請求隊列。為了處理（消費）隊列中的請求，生成了不定數(shù)量的工作線程。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)者/消費者方式下，為了在隊列變?yōu)榭諘r線程會阻塞，并在新請求可用時線程會得到通知，需要寫 Queue 。
為了支持等待的線程，在清單 2 中已經(jīng)重寫了 remove() 方法。如果列表為空，就會增加等待線程的數(shù)量，并阻塞當(dāng)前線程。它實質(zhì)上提供了非常簡單的線程池。
清單 2. Queue.java
public class Queue extends LinkedList
{
private int waitingThreads = 0;
public synchronized void insert(Object obj)
{
addLast(obj);
notify();
}
public synchronized Object remove()
{
if ( isEmpty() ) {
try { waitingThreads++; wait();}
catch (InterruptedException e) {Thread.interrupted();}
waitingThreads--;
}
return removeFirst();
}
public boolean isEmpty() {
return (size() - waitingThreads <= 0);
}
}
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工作線程的數(shù)量與 Web 客戶機的數(shù)量無關(guān)。不是為每個打開的 socket 分配一個線程，相反，我們把所有請求放到一個由一組 RequestHandlerThread 實例所服務(wù)的通用隊列中。理想情況下，線程的數(shù)量應(yīng)該根據(jù)處理器的數(shù)量和請求的長度或持續(xù)時間進(jìn)行調(diào)整。如果請求通過資源或處理需求花了很長時間，那么通過添加更多的線程，可以提高感知到的服務(wù)質(zhì)量。
注意，這不一定提高整體的吞吐量，但確實改善了用戶體驗。即使在超載的情況下，也會給每個線程一個處理時間片。這一原則同樣適用于基于標(biāo)準(zhǔn) Java I/O 的服務(wù)器；不過這些服務(wù)器是受到限制的，因為會 要求 它們?yōu)槊總€打開的 socket 連接分配一個線程。NIO 服務(wù)器完全不用擔(dān)心這一點，因此它們可以擴(kuò)展到大量用戶。最后的結(jié)果是 NIO 服務(wù)器仍然需要線程，只是不需要那么多。
請求處理
Client 類有兩個用途。首先，通過把傳入的非阻塞 I/O 轉(zhuǎn)換成可由 Servlet API 消費的阻塞 InputStream ，它解決了阻塞/非阻塞問題。其次，它管理特定客戶機的請求狀態(tài)。因為當(dāng)全部讀取消息時，非阻塞通道沒有給出任何提示，所以強制我們在協(xié)議層處理這一情況。 Client 類在任意指定的時刻都指出了它是否正在參與進(jìn)行中的請求。如果它準(zhǔn)備處理新請求， write() 方法就會為請求處理而將該客戶機排到隊列中。如果它已經(jīng)參與了請求，它就只是使用 PipedInputStream 和 PipedOutputStream 類把傳入的字節(jié)轉(zhuǎn)換成一個 InputStream 。
圖 1 展示了兩個線程圍繞管道進(jìn)行交互。主線程把從通道讀取的數(shù)據(jù)寫到管道中。管道把相同的數(shù)據(jù)作為 InputStream 提供給消費者。管道的另一個重要特性是：它是進(jìn)行緩沖處理的。如果沒有進(jìn)行緩沖處理，主線程在嘗試寫到管道時就會阻塞。因為主線程單獨負(fù)責(zé)所有客戶機間的多路復(fù)用，因此我們不能讓它阻塞。
圖 1. PipedInput/OutputStream
在 Client 自己排隊后，工作線程就可以消費它了。 RequestHandlerThread 類承擔(dān)了這個角色。至此，我們已經(jīng)看到主線程是如何連續(xù)地循環(huán)的，它要么接受新客戶機，要么讀取新的 I/O。工作線程循環(huán)等待新請求。當(dāng)客戶機在請求隊列上變?yōu)榭捎脮r，它就馬上被 remove() 方法中阻塞的第一個等待線程所消費。
清單 3. RequestHandlerThread.java
public void run() {
while (true) {
Client client = (Client) myQueue.remove();
try {
for (; ; ) {
HttpRequest req = new HttpRequest(client.clientInputStream,
myServletContext);
HttpResponse res = new HttpResponse(client.key);
defaultServlet.service(req, res);
if (client.notifyRequestDone())
break;
}
} catch (Exception e) {
client.key.cancel();
client.key.selector().wakeup();
}
}
}
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然后該線程創(chuàng)建新的 HttpRequest 和 HttpResponse 實例，并調(diào)用 defaultServlet 的 service 方法。注意， HttpRequest 是用 Client 對象的 clientInputStream 屬性構(gòu)造的。 PipedInputStream 就是負(fù)責(zé)把非阻塞 I/O 轉(zhuǎn)換成阻塞流。
從現(xiàn)在開始，請求處理就與您在 J2EE Servlet API 中期望的相似。當(dāng)對 servlet 的調(diào)用返回時，工作線程在返回到池中之前，會檢查是否有來自相同客戶機的另一個請求可用。注意，這里用到了單詞 池 (pool)。事實上，線程會對隊列嘗試另一個 remove() 調(diào)用，并變成阻塞，直到下一個請求可用。
運行示例
示例服務(wù)器實現(xiàn)了 HTTP 1.1 協(xié)議的一個子集。它處理普通的 HTTP get 請求。它帶有兩個命令行參數(shù)。第一個指定端口號，第二個指定 HTML 文件所駐留的目錄。在解壓文件后， 切換到項目目錄，然后執(zhí)行下面的命令，注意要把下面的 webroot 目錄替換為您自己的目錄：
java -cp bin org.sse.server.Start 8080
"C:\mywebroot"
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還請注意，服務(wù)器并沒有實現(xiàn)目錄清單，因此必須指定有效的 URL 來指向您的 webroot 目錄下的文件。
性能結(jié)果
示例 NIO 服務(wù)器是在重負(fù)載下與 Tomcat 5.0 進(jìn)行比較的。選擇 Tomcat 是因為它是基于標(biāo)準(zhǔn) Java I/O 的純 Java 解決方案。為了提高可伸縮性，一些高級的應(yīng)用程序服務(wù)器是用 JNI 本機代碼優(yōu)化的，因此它們沒有提供標(biāo)準(zhǔn) I/O 和 NIO 之間的很好比較。目標(biāo)是要確定 NIO 是否給出了大量的性能優(yōu)勢，以及是在什么條件下給出的。
如下是一些說明：
- Tomcat 是用最大的線程數(shù)量 2000 來配置的，而示例服務(wù)器只允許用 4 個工作線程運行。
- 每個服務(wù)器是針對相同的一組簡單 HTTP
get 測試的，這些 HTTP get 基本上由文本內(nèi)容組成。
- 把加載工具（Microsoft Web Application Stress Tool）設(shè)置為使用“Keep-Alive”會話，導(dǎo)致了大約要為每個用戶分配一個 socket。然后它導(dǎo)致了在 Tomcat 上為每個用戶分配一個線程，而 NIO 服務(wù)器用固定數(shù)量的線程來處理相同的負(fù)載。
圖 2 展示了在不斷增加負(fù)載下的“請求/秒”率。在 200 個用戶時，性能是相似的。但當(dāng)用戶數(shù)量超過 600 時，Tomcat 的性能開始急劇下降。這最有可能是由于在這么多的線程間切換上下文的開銷而導(dǎo)致的。相反，基于 NIO 的服務(wù)器的性能則以線性方式下降。記住，Tomcat 必須為每個用戶分配一個線程，而 NIO 服務(wù)器只配置有 4 個工作線程。
圖 2. 請求/秒
圖 3 進(jìn)一步顯示了 NIO 的性能。它展示了操作的 Socket 連接錯誤數(shù)/分鐘。同樣，在大約 600 個用戶時，Tomcat 的性能急劇下降，而基于 NIO 的服務(wù)器的錯誤率保持相對較低。
圖 3. Socket 連接錯誤數(shù)/分鐘
結(jié)束語
在本文中您已經(jīng)學(xué)習(xí)了，實際上可以使用 NIO 編寫基于 Servlet 的 Web 服務(wù)器，甚至可以啟用它的非阻塞特性。對于企業(yè)開發(fā)人員來說，這是好消息，因為在企業(yè)環(huán)境中，NIO 比標(biāo)準(zhǔn) Java I/O 更能夠進(jìn)行伸縮。不像標(biāo)準(zhǔn)的 Java I/O，NIO 可以用固定數(shù)量的線程處理許多客戶機。當(dāng)基于 Servlet 的 NIO Web 服務(wù)器用來處理保持和擁有 socket 連接的客戶機時，會獲得更好的性能。
參考資料
關(guān)于作者
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Taylor Cowan 是一位軟件工程師，也是一位專攻 J2EE 的自由撰稿人。他從 North Texas 大學(xué)的計算機科學(xué)專業(yè)獲得了碩士學(xué)位，另外，他還從 Jazz Arranging 獲得了音樂學(xué)士學(xué)位。
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