NIO之多线程协作处理数据读写

2021-07-16 14:09:14 浏览数 (1)

有道无术，术尚可求也！有术无道，止于术！

经过前面几章的学习，我们已经 能够掌握了JDK NIO的开发方式，我们来总结一下NIO开发的流程：

  1. 创建一个服务端通道 ServerSocketChannel
  2. 创建一个选择器 Selector
  3. 将服务端通道注册到选择器上，并且关注我们感兴趣的事件serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
  4. 绑定服务管道的地址 serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8989));
  5. 开始进行事件选择，选择我们感兴趣的事件做对应的操作！

具体的代码信息请参照第一章：多路复用模型章节，这里不做太多的赘述！

有关多路复用的概念，我们也在第一章进行了分析。多路复用模型能够最大限度的将一个线程的执行能力榨干，一条线程执行所有的数据，包括新连接的接入、数据的读取、计算与回写，但是假设，我们的数据计算及其缓慢，那么该任务的执行就势必影响下一个新链接的接入！

传统NIO单线程模型

单线程的NIO模型

如图，我们能了解到，单线程情况下，读事件因为要做一些业务性操作（数据库连接、图片、文件下载）等操作，导致线程阻塞再，读事件的处理上，此时单线程程序无法进行下一次新链接的处理！我们对该线程模型进行优化，select事件处理封装为任务，提交到线程池！

NIO多线程模型

image-20210416170643079

上面的这种数据结构能够解决掉因为计算任务耗时过长，导致新链接接入阻塞的问题，我们能否再次进行一次优化呢？

我们能否创建多个事件选择器，每个事件选择器，负责不同的Socket连接，就像下面这种：

NIO多线程优化模型

image-20210416123153046

这样我们就可以每一个Select选择器负责多个客户端Socket连接，主线程只需要将客户端新连接选择一个选择器注册到select选择器上就可以了！所以我们的架构图，就变成了下图这样：

image-20210416134148671

我们在select选择器内部处理计算任务的时候，也可以将任务封装为task，提交到线程池里面去，彻底将新连接接入和读写事件处理分离开，互不影响！事实上，这也是Netty的核心思想之一，我们可以根据上面的图例，自己简单写一个：

代码实现

构建一个事件执行器 对应上图的select选择器

代码语言：javascript复制
/**
 * Nio事件处理器
 *
 * @author huangfu
 * @date
 */
public class MyNioEventLoop implements Runnable {
    static final ByteBuffer ALLOCATE = ByteBuffer.allocate(128);
    private final Selector selector;
    private final LinkedBlockingQueue<Runnable> linkedBlockingQueue;
    public MyNioEventLoop(Selector selector) {
        this.selector = selector;
        linkedBlockingQueue = new LinkedBlockingQueue<>();
    }

    public Selector getSelector() {
        return selector;
    }

    public LinkedBlockingQueue<Runnable> getLinkedBlockingQueue() {
        return linkedBlockingQueue;
    }

    //忽略  hashCode和eques

    /**
     * 任务处理器
     */
    @Override
    public void run() {
        while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
            try {
                //进行事件选择  这里我们只处理读事件
                if (selector.select() > 0) {
                    Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                    Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                    //处理读事件
                    while (iterator.hasNext()) {
                        SelectionKey next = iterator.next();
                        iterator.remove();
                        if (next.isReadable()) {
                            SocketChannel channel = (SocketChannel) next.channel();
                            int read = channel.read(ALLOCATE);
                            if(read > 0) {
                                System.out.printf("线程%s【%s】发来消-息:",Thread.currentThread().getName(), channel.getRemoteAddress());
                                System.out.println(new String(ALLOCATE.array(), StandardCharsets.UTF_8));
                            }else if(read == -1) {
                                System.out.println("连接断开");
                                channel.close();
                            }
                            ALLOCATE.clear();
                        }
                    }
                    selectionKeys.clear();
                }else {
                    //处理异步任务  进行注册
                    while (!linkedBlockingQueue.isEmpty()) {
                        Runnable take = linkedBlockingQueue.take();
                        //异步事件执行
                        take.run();
                    }
                }
            } catch (IOException | InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

构建一个选择器组

代码语言：javascript复制
/**
 * 选择器组
 *
 * @author huangfu
 * @date 2021年3月12日09:44:37
 */
public class SelectorGroup {
    private final List<MyNioEventLoop> SELECTOR_GROUP = new ArrayList<>(8);
    private static final int AVAILABLE_PROCESSORS = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
    private final static AtomicInteger IDX = new AtomicInteger();

    /**
     * 初始化选择器
     * @param count 处理器数量
     * @throws IOException 异常欣喜
     */
    public SelectorGroup(int count) throws IOException {

        for (int i = 0; i < count; i  ) {
            Selector open = Selector.open();
            MyNioEventLoop myNioEventLoop = new MyNioEventLoop(open);
            SELECTOR_GROUP.add(myNioEventLoop);
        }
    }

    public SelectorGroup() throws IOException {
        this(AVAILABLE_PROCESSORS << 1);
    }

    /**
     * 轮询获取一个选择器
     * @return 返回一个选择器
     */
    public MyNioEventLoop next(){
        int andIncrement = IDX.getAndIncrement();
        int length = SELECTOR_GROUP.size();

        return SELECTOR_GROUP.get(Math.abs(andIncrement % length));
    }
}

构建一个执行器记录器

代码语言：javascript复制
/**
 * @author huangfu
 * @date
 */
public class ThreadContext {
    /**
     * 记录当前使用过的选择器
     */
    public static final Set<MyNioEventLoop> RUN_SELECT = new HashSet<>();
}

构建一个新连接接入选择器

代码语言：javascript复制
/**
 * 连接器
 *
 * @author huangfu
 * @date 2021年3月12日10:15:37
 */
public class Acceptor implements Runnable {
    private final ServerSocketChannel serverSocketChannel;
    private final SelectorGroup selectorGroup;

    public Acceptor(ServerSocketChannel serverSocketChannel, SelectorGroup selectorGroup) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
        this.selectorGroup = selectorGroup;
    }


    @Override
    public void run() {
        try {
            SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            MyNioEventLoop next = selectorGroup.next();

            //向队列追加一个注册任务
            next.getLinkedBlockingQueue().offer(() -> {
                try {
                    //客户端注册为非阻塞
                    socketChannel.configureBlocking(false);
                    //注册到选择器 关注一个读事件
                    socketChannel.register(next.getSelector(), SelectionKey.OP_READ);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
            //唤醒对应的任务，让其处理异步任务
            next.getSelector().wakeup();


            System.out.println("检测到连接："   socketChannel.getRemoteAddress());
            //当当前选择器已经被使用过了  就不再使用了，直接注册就行了
            if (ThreadContext.RUN_SELECT.add(next)) {
                //启动任务
                new Thread(next).start();
            }


        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

创建启动器

代码语言：javascript复制
/**
 * 反应器
 *
 * @author huangfu
 * @date 2021年3月12日10:15:14
 */
public class Reactor implements Runnable {
    private final Selector selector;

    public Reactor(Selector selector) {
        this.selector = selector;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("服务启动成功");
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                //d等待连接事件
                selector.select();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey next = iterator.next();
                    iterator.remove();
                    //进行数据分发
                    dispatch(next);
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    /**
     * 将新连接分发到新连接接入器
     * @param next 所有事件主键
     */
    private void dispatch(SelectionKey next) {
        Runnable attachment = (Runnable) next.attachment();
        if(attachment!=null) {
            attachment.run();
        }
    }
}

启动测试

代码语言：javascript复制
/**
 * @author huangfu
 * @date
 */
public class TestMain {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建一个选择器组   传递选择器组的大小 决定使用多少选择器来实现
        SelectorGroup selectorGroup = new SelectorGroup(2);
        //开启一个服务端管道
        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
        //开启一个服务端专用的选择器
        Selector selector = Selector.open();
        //设置非阻塞
        serverSocketChannel.configureBlocking(false);
        //创建一个连接器
        Acceptor acceptor = new Acceptor(serverSocketChannel, selectorGroup);
        //将服务端通道注册到服务端选择器上  这里会绑定一个新连接接入器
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT, acceptor);
        //绑定端口
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(8989));
        //启动处理器
        new Reactor(selector).run();
    }
}

总结

  1. 单线程下的NIO存在性能瓶颈，当某一计算过程缓慢的时候会阻塞住整个线程，导致影响其他事件的处理！
  2. 为了解决这一缺陷，我们提出了使用异步线程的方式去操作任务，将耗时较长的业务，封装为一个异步任务，提交到线程池执行！
  3. 为了使业务操作和新连接接入完全分离开，我们做了另外一重优化，我们封装了一个选择器组，轮询的方式获取选择器，每一个选择器都能够处理多个新连接， socket连接->selector选择器 = 多 -> 1，在每一个选择器里面又可以使用线程池来处理任务，进一步提高吞吐量！

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