Java IO学习笔记七:多路复用从单线程到多线程

2021年6月20日 23点热度 0条评论

作者:Grey

原文地址:Java IO学习笔记七:多路复用从单线程到多线程

前面提到的多路复用的服务端代码中, 我们在处理读数据的同时,也处理了写事件:

    public void readHandler(SelectionKey key) {
        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
        buffer.clear();
        int read;
        try {
            while (true) {
                read = client.read(buffer);
                if (read > 0) {
                    buffer.flip();
                    while (buffer.hasRemaining()) {
                        client.write(buffer);
                    }
                    buffer.clear();
                } else if (read == 0) {
                    break;
                } else {
                    client.close();
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

为了权责清晰一些,我们分开了两个事件处理:

一个负责写,一个负责读

读的事件处理, 如下代码

    public void readHandler(SelectionKey key) {
        System.out.println("read handler.....");
        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
        buffer.clear();
        int read = 0;
        try {
            while (true) {
                read = client.read(buffer);
                if (read > 0) {
                    client.register(key.selector(), SelectionKey.OP_WRITE, buffer);
                } else if (read == 0) {
                    break;
                } else {
                    client.close();
                    break;
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

其中read > 0 即从客户端读取到了数据,我们才注册一个写事件:

client.register(key.selector(), SelectionKey.OP_WRITE, buffer);

其他事件不注册写事件。(PS:只要send-queue没有满,就可以注册写事件)

写事件的处理逻辑如下:

    private void writeHandler(SelectionKey key) {
        System.out.println("write handler...");
        SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
        ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            try {
                client.write(buffer);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        buffer.clear();
        key.cancel();
        try {
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

写完后,调用key.cancel() 取消注册,并关闭客户端。既然分了读和写的不同处理流程,那么在主方法里面调用的时候:

                    while (iter.hasNext()) {
                        SelectionKey key = iter.next();
                        iter.remove();
                        if (key.isAcceptable()) {
                            acceptHandler(key);
                        } else if (key.isReadable()) {
                            readHandler(key);
                        } else if (key.isWritable()) {  
                            writeHandler(key);
                        }
                    }

增加了

if (key.isWritable()) { 
      writeHandler(key);
}

测试一下,运行SocketMultiplexingV2.java

并通过一个客户端连接进来:

nc 192.168.205.1 9090

客户端发送一些内容:

nc 192.168.205.1 9090
asdfasdfasf
asdfasdfasf

可以正常接收到数据。

考虑有一个fd执行耗时,在一个线性里会阻塞后续FD的处理,同时,考虑资源利用,充分利用cpu核数。

我们来实现一个基于多线程的多路复用模型。

将N个FD分组(这里的FD就是Socket连接),每一组一个selector,将一个selector压到一个线程上(最好的线程数量是: cpu核数或者cpu核数*2)

每个selector中的fd是线性执行的。假设有100w个连接,如果有四个线程,那么每个线程处理25w个。

分组的FD和处理这堆FD的Selector我们封装到一个数据结构中,假设叫:SelectorThread,其成员变量至少有如下:

public class SelectorThread  {
    ...
    Selector selector = null;
	// 存Selector对应要处理的FD队列
    LinkedBlockingQueue<Channel> lbq = new LinkedBlockingQueue<>();
    ...
}

由于其处理是线性的,且我们要开很多个线程来处理,所以SelectorThread本身是一个线程类(实现Runnable接口)

public class SelectorThread implements Runnable {
...

}

在run方法中,我们就可以把之前单线程处理selector的常规操作代码移植过来:

....
while (true) {
....
 if (selector.select() > 0) {
       Iterator<SelectionKey> iter = selector.selectedKeys().iterator();
       while (iter.hasNext()) {
            SelectionKey key = iter.next();
            iter.remove();
            if (key.isAcceptable()) {
                acceptHandler(key);
            } else if (key.isReadable()) {
                 readHandler(key);
            } else if (key.isWritable()) {
            }
     }
  }
....
}
....

SelectorThread设计好以后,我们需要一个可以组织SelectorThread的类,假设叫SelectorThreadGroup,这个类的主要职责就是安排哪些FD由哪些Selector来接管,这个类里面持有两个SelectorThread数组,一个用于分配服务端,一个用于分配每次客户端的Socket请求。

// 服务端,可以启动多个服务端
SelectorThread[] bosses;
// 客户端的Socket请求
SelectorThread[] workers;

构造器中初始化这两个数组

    SelectorThreadGroup(int bossNum, int workerNum) {
        bosses = new SelectorThread[bossNum];
        workers = new SelectorThread[workerNum];
        for (int i = 0; i < bossNum; i++) {
            bosses[i] = new SelectorThread(this);
            new Thread(bosses[i]).start();
        }
        for (int i = 0; i < workerNum; i++) {
            workers[i] = new SelectorThread(this);
            new Thread(workers[i]).start();
        }
    }

以下代码是针对每次的请求,如何分配Selector:

...
    public void nextSelector(Channel c) {
        try {
            SelectorThread st;
            if (c instanceof ServerSocketChannel) {
                st = nextBoss();
                st.lbq.put(c);
                st.setWorker(workerGroup);
            } else {
                st = nextWork();
                st.lbq.add(c);
            }
            st.selector.wakeup();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private SelectorThread nextBoss() {
        int index = xid.incrementAndGet() % bosses.length;
        return bosses[index];
    }

    private SelectorThread nextWork() {
        int index = xid.incrementAndGet() % workers.length;  //动用worker的线程分配
        return workers[index];
    }

...

这里要区分两类Channel,一类是ServerSocketChannel,即我们每次启动的服务端,另外一类就是连接服务端的Socket请求,这两类最好是分到不同的SelectorThread中的队列中去。分配的算法是朴素的轮询算法(除以数组长度取模)

这样我们主函数只需要和SelectorThreadGroup交互即可:


public class Startup {

    public static void main(String[] args) {
	 // 开辟了三个SelectorThread给服务端,开辟了三个SelectorThread给客户端去接收Socket
        SelectorThreadGroup group = new SelectorThreadGroup(3,3);
        group.bind(9999);
        group.bind(8888);
        group.bind(6666);
        group.bind(7777);
    }
}

启动Startup,
开启一个客户端,请求服务端,测试一下:

[root@io io]# nc 192.168.205.1 7777
sdfasdfs
sdfasdfs

客户端请求的数据可以返回,服务端可以监听到客户端的请求:

Thread-1 register listen
Thread-0 register listen
Thread-2 register listen
Thread-1 register listen
Thread-1   acceptHandler......
Thread-5 register client: /192.168.205.138:44152

因为我们开了四个端口的监听,但是我们只设置了三个服务端SelectorThread,所以可以看到Thread-1监听了两个服务端。

新接入的客户端连接是从Thread-5开始的,不会和前面的Thread-0,Thread-1,Thread-2冲突。

再次来一个新的客户端连接

[root@io io]# nc 192.168.205.1 8888
sdfasdfas
sdfasdfas

输入一些内容,依然可以得到服务端的响应

服务端这边日志显示:

Thread-3 register client: /192.168.205.138:33262
Thread-3 read......

显示是Thread-3捕获了新的连接,也不会和前面的Thread-0,Thread-1,Thread-2冲突。

完整源码:Github