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Getty-實作Java NIO框架設計的詳細解

黄舟原創: 2017-03-24 10:46:011897瀏覽

前言

Getty是我為了學習 Java NIO 所寫的 NIO 框架，實作過程中參考了 Netty 的設計，同時使用 Groovy 來實作。雖然只是玩具，但是麻雀雖小，五臟俱全，在實現過程中，不僅熟悉了 NIO 的使用，還借鑒了很多 Netty 的設計思想，提升了自己的編碼和設計能力。

至於為什麼要用Groovy 來寫，因為我剛學了Groovy，剛好拿來練手，加上Groovy 是相容Java 的，所以只是語法上的差別，底層實作還是基於Java API的。

Getty 的核心程式碼行數不超過 500 行，一方面得益於 Groovy 簡潔的語法，另一方面是因為我只實現了核心的邏輯，最複雜的其實是解碼器實現。鷹架容易搭，摩天大樓哪有那麼容易蓋，但用來學習 NIO 足以。

線程模型

Getty 使用的是Reactor 多執行緒模型

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有專門一個NIO 執行緒- Acceptor 執行緒用於監聽服務端，接收客戶端的TCP 連線請求，然後將連線指派給工作執行緒，由工作執行緒來監聽寫入事件。
網路 IO 操作-讀/寫等由多個工作執行緒負責，由這些工作執行緒負責訊息的讀取、解碼、編碼和發送。
1 個工作線程可以同時處理N條鏈路，但是 1 個鏈路只對應 1 個工作線程，防止並發操作問題。

事件驅動模型

整個服務端的流程處理，建立於事件機制上。在[接受連線－＞讀－＞業務處理－＞寫－＞關閉連線]這個過程中，觸發器將觸發對應事件，由事件處理器對對應事件分別回應，完成伺服器端的業務處理。

事件定義

onRead：當客戶端發來數據，並已被工作執行緒正確讀取時，觸發該事件。此事件通知各事件處理器可以對客戶端發送的資料進行實際處理了。
onWrite：當客戶端可以開始接受服務端發送資料時觸發該事件，透過該事件，我們可以向客戶端發送回應資料。（目前的實作中並未使用寫入事件）
onClosed：當客戶端與伺服器斷開連線時觸發該事件。

事件回呼機制的實作

在這個模型中，事件採用廣播方式，也就是所有註冊的事件處理器都能獲得事件通知。這樣可以將不同性質的業務處理，分別用不同的處理器實現，使每個處理器的功能盡可能單一。

如下圖：整個事件模型由監聽器、事件適配器、事件觸發器（HandlerChain，PipeLine）、事件處理器組成。

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ServerListener：這是事件介面，定義需監聽的伺服器事件

interface ServerListener extends Serializable{
    /**
     * 可读事件回调
     * @param request
     */
    void onRead(ctx)
    /**
     * 可写事件回调
     * @param request
     * @param response
     */
    void onWrite(ctx)
    /**
     * 连接关闭回调
     * @param request
     */
    void onClosed(ctx)
}

EventAdapter：對Serverlistener 介面實作一個適配器(EventAdapter)，這樣的好處是最終的事件處理器可以只處理所關心的事件。

class EventAdapter implements ServerListener {
    //下个处理器的引用
    protected next
    void onRead(Object ctx) {
    }
    void onWrite(Object ctx) {
    }
    void onClosed(Object ctx) {
    }
}

Not<a href="http://www.php.cn/wiki/109.html" target="_blank">if</a>ier：用於在適當的時候透過觸發伺服器事件，通知在冊的事件處理器對事件做出響應。

interface Notifier extends Serializable{
    /**
     * 触发所有可读事件回调
     */
    void fireOnRead(ctx)
    /**
     * 触发所有可写事件回调
     */
    void fireOnWrite(ctx)
    /**
     * 触发所有连接关闭事件回调
     */
    void fireOnClosed(ctx)
}

HandlerChain：實作了Notifier接口，維持有序的事件處理器鏈條，每次從第一個處理器開始觸發。

class HandlerChain implements Notifier{
    EventAdapter head
    EventAdapter tail
    /**
     * 添加处理器到执行链的最后
     * @param handler
     */
    void addLast(handler) {
        if (tail != null) {
            tail.next = handler
            tail = tail.next
        } else {
            head = handler
            tail = head
        }
    }
    void fireOnRead(ctx) {
        head.onRead(ctx)
    }
    void fireOnWrite(ctx) {
        head.onWrite(ctx)
    }
    void fireOnClosed(ctx) {
        head.onClosed(ctx)
    }
}

PipeLine：實作了Notifier接口，作為事件總線，維持一個事件鏈的清單。

class PipeLine implements Notifier{
    static logger = LoggerFactory.getLogger(PipeLine.name)
    //监听器队列
    def listOfChain = []
    PipeLine(){}
    /**
     * 添加监听器到监听队列中
     * @param chain
     */
    void addChain(chain) {
        synchronized (listOfChain) {
            if (!listOfChain.contains(chain)) {
                listOfChain.add(chain)
            }
        }
    }
    /**
     * 触发所有可读事件回调
     */
    void fireOnRead(ctx) {
        logger.debug("fireOnRead")
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnRead(ctx)
        }
    }
    /**
     * 触发所有可写事件回调
     */
    void fireOnWrite(ctx) {
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnWrite(ctx)
        }
    }
    /**
     * 触发所有连接关闭事件回调
     */
    void fireOnClosed(ctx) {
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnClosed(ctx)
        }
    }
}

事件處理流程

Getty-實作Java NIO框架設計的詳細解

#程式設計模型

#事件處理採用職責鏈模式，每個處理器處理完資料之後會決定是否繼續下一個處理器。如果處理器不將任務交給執行緒池處理，那麼整個處理流程就在同一個執行緒中處理。而且每個連線都有單獨的PipeLine，工作執行緒可以在多個連線上下文切換，但是一個連線上下文只會被一個執行緒處理。

核心类

ConnectionCtx

连接上下文ConnectionCtx

class ConnectionCtx {
    /**socket连接*/
    SocketChannel channel
    /**用于携带额外参数*/
    Object attachment
    /**处理当前连接的工作线程*/
    Worker worker
    /**连接超时时间*/
    Long timeout
    /**每个连接拥有自己的pipeline*/
    PipeLine pipeLine
}

NioServer

主线程负责监听端口，持有工作线程的引用（使用轮转法分配连接），每次有连接到来时，将连接放入工作线程的连接队列，并唤醒线程selector.wakeup()（线程可能阻塞在selector上）。

class NioServer extends Thread {
    /**服务端的套接字通道*/
    ServerSocketChannel ssc
    /**选择器*/
    Selector selector
    /**事件总线*/
    PipeLine pipeLine
    /**工作线程列表*/
    def workers = []
    /**当前工作线程索引*/
    int index
}

Worker

工作线程，负责注册server传递过来的socket连接。主要监听读事件，管理socket，处理写操作。

class Worker extends Thread {
    /**选择器*/
    Selector selector
    /**读缓冲区*/
    ByteBuffer buffer
    /**主线程分配的连接队列*/
    def queue = []
    /**存储按超时时间从小到大的连接*/
    TreeMap<Long, ConnectionCtx> ctxTreeMap

    void run() {
        while (true) {
            selector.select()
            //注册主线程发送过来的连接
            registerCtx()
            //关闭超时的连接
            closeTimeoutCtx()
            //处理事件
            dispatchEvent()
        }
    }
}

运行一个简单的 Web 服务器

我实现了一系列处理HTTP请求的处理器，具体实现看代码。

LineBasedDecoder：行解码器，按行解析数据
HttpRequestDecoder：HTTP请求解析，目前只支持GET请求
HttpRequestHandler：Http 请求处理器，目前只支持GET方法
HttpResponseHandler：Http响应处理器

下面是写在test中的例子

class WebServerTest {
    static void main(args) {
        def pipeLine = new PipeLine()

        def readChain = new HandlerChain()
        readChain.addLast(new LineBasedDecoder())
        readChain.addLast(new HttpRequestDecoder())
        readChain.addLast(new HttpRequestHandler())
        readChain.addLast(new HttpResponseHandler())

        def closeChain = new HandlerChain()
        closeChain.addLast(new ClosedHandler())

        pipeLine.addChain(readChain)
        pipeLine.addChain(closeChain)

        NioServer nioServer = new NioServer(pipeLine)
        nioServer.start()
    }
}

另外，还可以使用配置文件getty.properties设置程序的运行参数。

#用于拼接消息时使用的二进制数组的缓存区
common_buffer_size=1024
#工作线程读取tcp数据的缓存大小
worker_rcv_buffer_size=1024
#监听的端口
port=4399
#工作线程的数量
worker_num=1
#连接超时自动断开时间
timeout=900
#根目录
root=.

总结

Getty是我造的第二个小轮子，第一个是RedisHttpSession。都说不要重复造轮子。这话我是认同的，但是掌握一门技术最好的方法就是实践，在没有合适项目可以使用新技术的时候，造一个简单的轮子是不错的实践手段。

Getty 的缺点或者说还可以优化的点：

线程的使用直接用了Thread类，看起来有点low。等以后水平提升了再来抽象一下。
目前只有读事件是异步的，写事件是同步的。未来将写事件也改为异步的。

以上是Getty-實作Java NIO框架設計的詳細解的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！

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