基于事件的 NIO 多线程服务器

原创

mb6446438c6e361 2023-05-17 11:05:25 博主文章分类：java基础 ©著作权

文章标签 java 客户端事件处理数据 文章分类 Python 后端开发

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JDK1.4 的 NIO 有效解决了原有流式 IO 存在的线程开销的问题，在 NIO 中使用多线程，主要目的已不是为了应对每个客户端请求而分配独立的服务线程，而是通过多线程充分使用用多个 CPU 的处理能力和处理中的等待时间，达到提高服务能力的目的。

多线程的引入，容易为本来就略显复杂的 NIO 代码进一步降低可读性和可维护性。引入良好的设计模型，将不仅带来高性能、高可靠的代码，也将带来一个惬意的开发过程。

线程模型

NIO 的选择器采用了多路复用（Multiplexing）技术，可在一个选择器上处理多个套接字，通过获取读写通道来进行 IO 操作。由于网络带宽等原因，在通道的读、写操作中是容易出现等待的，所以在读、写操作中引入多线程，对性能提高明显，而且可以提高客户端的感知服务质量。所以本文的模型将主要通过使用读、写线程池来提高与客户端的数据交换能力。

如下图所示，服务端接受客户端请求后，控制线程将该请求的读通道交给读线程池，由读线程池分配线程完成对客户端数据的读取操作；当读线程完成读操作后，将数据返回控制线程，进行服务端的业务处理；完成业务处理后，将需回应给客户端的数据和写通道提交给写线程池，由写线程完成向客户端发送回应数据的操作。

（NIO 多线程服务器模型）

同时整个服务端的流程处理，建立于事件机制上。在 [接受连接－＞读－＞业务处理－＞写－＞关闭连接 ]这个过程中，触发器将触发相应事件，由事件处理器对相应事件分别响应，完成服务器端的业务处理。
下面我们就来详细看一下这个模型的各个组成部分。

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事件回调机制的实现

在这个模型中，事件采用广播方式，也就是所有在册的事件处理器都能获得事件通知。这样可以将不同性质的业务处理，分别用不同的处理器实现，使每个处理器的业务功能尽可能单一。
如下图：整个事件模型由监听器、事件适配器、事件触发器、事件处理器组成。

（事件模型）

监听器（Serverlistener）：这是一个事件接口，定义需监听的服务器事件，如果您需要定义更多的事件，可在这里进行扩展。

1. public interface Serverlistener { 
   public void onError(String error); 
   public void onAccept() throws Exception; 
   public void onAccepted(Request request) throws Exception; 
   public void onRead(Request request) throws Exception; 
   public void onWrite(Request request, Response response) throws Exception; 
   public void onClosed(Request request) throws Exception; 
 }

事件适配器（EventAdapter）：对 Serverlistener 接口实现一个适配器 (EventAdapter)，这样的好处是最终的事件处理器可以只处理所关心的事件。

1. public abstract class EventAdapter implements Serverlistener { 
    public EventAdapter() { 
    } 
    public void onError(String error) {} 
    public void onAccept() throws Exception {} 
    public void onAccepted(Request request)  throws Exception {} 
    public void onRead(Request request)  throws Exception {} 
    public void onWrite(Request request, Response response)  throws Exception {} 
    public void onClosed(Request request)  throws Exception {} 
 }

事件触发器（Notifier）：用于在适当的时候通过触发服务器事件，通知在册的事件处理器对事件做出响应。触发器以 Singleton 模式实现，统一控制整个服务器端的事件，避免造成混乱。

1. public class Notifier { 
    private static Arraylist listeners = null; 
    private static Notifier instance = null; 
    private Notifier() { 
        listeners = new Arraylist(); 
    } 
    /** 
     * 获取事件触发器
     * @return 返回事件触发器
     */ 
    public static synchronized Notifier getNotifier() { 
        if (instance == null) { 
            instance = new Notifier(); 
            return instance; 
        } 
        else return instance; 
    } 
    /** 
     * 添加事件监听器
     * @param l 监听器
     */ 
    public void addlistener(Serverlistener l) { 
        synchronized (listeners) { 
            if (!listeners.contains(l)) 
                listeners.add(l); 
        } 
    } 
    public void fireOnAccept() throws Exception { 
        for (int i = listeners.size() - 1; i >= 0; i--) 
            ( (Serverlistener) listeners.get(i)).onAccept(); 
    } 
    ....// other fire method 
 }

事件处理器（Handler）：继承事件适配器，对感兴趣的事件进行响应处理，实现业务处理。以下是一个简单的事件处理器实现，它响应 onRead 事件，在终端打印出从客户端读取的数据。

1. public class ServerHandler extends EventAdapter { 
    public ServerHandler() { 
    } 
    public void onRead(Request request) throws Exception { 
        System.out.println("Received: " + new String(data)); 
    } 
 }

事件处理器的注册。为了能让事件处理器获得服务线程的事件通知，事件处理器需在触发器中注册。

3. ServerHandler handler = new ServerHandler(); 
 Notifier.addlistener(handler);

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实现 NIO 多线程服务器

NIO 多线程服务器主要由主控服务线程、读线程和写线程组成。

（线程模型）

主控服务线程（Server）：主控线程将创建读、写线程池，实现监听、接受客户端请求，同时将读、写通道提交由相应的读线程（Reader）和写服务线程 (Writer），由读写线程分别完成对客户端数据的读取和对客户端的回应操作。

1. public class Server implements Runnable { 
    .... 
    private static int MAX_THREADS = 4; 
    public Server(int port) throws Exception { 
        .... 
        // 创建无阻塞网络套接
        selector = Selector.open(); 
        sschannel = ServerSocketChannel.open(); 
        sschannel.configureBlocking(false); 
        address = new InetSocketAddress(port); 
        ServerSocket ss = sschannel.socket(); 
        ss.bind(address); 
        sschannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); 
    } 
    public void run() { 
        System.out.println("Server started ..."); 
        System.out.println("Server listening on port: " + port); 
        // 监听
        while (true) { 
            try { 
                int num = 0; 
                num = selector.select(); 
                if (num > 0) { 
                    Set selectedKeys = selector.selectedKeys(); 
                    Iterator it = selectedKeys.iterator(); 
                    while (it.hasNext()) { 
                        SelectionKey key = (SelectionKey) it.next(); 
                        it.remove(); 
                        // 处理 IO 事件
                        if ( (key.readyOps() & SelectionKey.OP_ACCEPT) == 
							SelectionKey.OP_ACCEPT) { 
                           // Accept the new connection 
                           ServerSocketChannel ssc = 
							   (ServerSocketChannel) key.channel();
                           notifier.fireOnAccept(); 
                           SocketChannel sc = ssc.accept(); 
                           sc.configureBlocking(false); 
                           // 触发接受连接事件
                           Request request = new Request(sc); 
                           notifier.fireOnAccepted(request); 
                           
                           // 注册读操作 , 以进行下一步的读操作
                           sc.register(selector,  SelectionKey.OP_READ, request);
                       } 
                       else if ( (key.readyOps() & SelectionKey.OP_READ) == 
						   SelectionKey.OP_READ ) { 
						   // 提交读服务线程读取客户端数据
                           Reader.processRequest(key);  
                           key.cancel(); 
                       } 
                       else if ( (key.readyOps() & SelectionKey.OP_WRITE) == 
						   SelectionKey.OP_WRITE ) { 
						   // 提交写服务线程向客户端发送回应数据
                           Writer.processRequest(key);  
                           key.cancel(); 
                       } 
                    } 
                } 
                else { 
                    addRegister();  // 在 Selector 中注册新的写通道
                } 
            } 
            catch (Exception e) { 
                notifier.fireOnError("Error occured in Server: " + e.getMessage()); 
                continue; 
            } 
        } 
    } 
    .... 
}

读线程（Reader）：使用线程池技术，通过多个线程读取客户端数据，以充分利用网络数据传输的时间，提高读取效率。

1. public class Reader extends Thread { 
    public void run() { 
        while (true) { 
            try { 
                SelectionKey key; 
                synchronized (pool) { 
                    while (pool.isEmpty()) { 
                        pool.wait(); 
                    } 
                    key = (SelectionKey) pool.remove(0); 
                } 
                // 读取客户端数据，并触发 onRead 事件
                read(key);  
            } 
            catch (Exception e) { 
                continue; 
            } 
        } 
    } 
    .... 
 }

写线程（Writer）：和读操作一样，使用线程池，负责将服务器端的数据发送回客户端。

1. public final class Writer extends Thread { 
    public void run() { 
        while (true) { 
            try { 
                SelectionKey key; 
                synchronized (pool) { 
                    while (pool.isEmpty()) { 
                        pool.wait(); 
                    } 
                    key = (SelectionKey) pool.remove(0); 
                } 
                // 向客户端发送数据，然后关闭连接，并分别触发 onWrite，onClosed 事件
                write(key); 
            } 
            catch (Exception e) { 
                continue; 
            } 
        } 
    } 
    .... 
 }

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具体应用

NIO 多线程模型的实现告一段落，现在我们可以暂且将 NIO 的各个 API 和烦琐的调用方法抛于脑后，专心于我们的实际应用中。
我们用一个简单的 TimeServer（时间查询服务器）来看看该模型能带来多么简洁的开发方式。
在这个 TimeServer 中，将提供两种语言（中文、英文）的时间查询服务。我们将读取客户端的查询命令（GB/EN），并回应相应语言格式的当前时间。在应答客户的请求的同时，服务器将进行日志记录。做为示例，对日志记录，我们只是简单地将客户端的访问时间和 IP 地址输出到服务器的终端上。

实现时间查询服务的事件处理器（TimeHandler）：

1. 

public class TimeHandler extends EventAdapter { 
    public TimeHandler() { 
    } 
    public void onWrite(Request request, Response response) throws Exception { 
        String command = new String(request.getDataInput()); 
        String time = null; 
        Date date = new Date(); 
        // 判断查询命令
        if (command.equals("GB")) { 
            // 中文格式
            DateFormat cnDate = DateFormat.getDateTimeInstance(DateFormat.FulL, 
                DateFormat.FulL, Locale.CHINA); 
            time = cnDate.format(date); 
        } 
        else { 
            // 英文格式
            DateFormat enDate = DateFormat.getDateTimeInstance(DateFormat.FulL, 
                DateFormat.FulL, Locale.US); 
            time = enDate.format(date); 
        } 
        response.send(time.getBytes()); 
    } 
 }

实现日志记录服务的事件处理器（LogHandler）：

1. public class LogHandler extends EventAdapter { 
    public LogHandler() { 
    } 
    public void onClosed(Request request) throws Exception { 
        String log = new Date().toString() + " from " + request.getAddress()
			.toString(); 
        System.out.println(log); 
    } 
    public void onError(String error) { 
        System.out.println("Error: " + error); 
    } 
}

启动程序：

1. public class Start { 
    public static void main(String[] args) { 
        try { 
            LogHandler loger = new LogHandler(); 
            TimeHandler timer = new TimeHandler(); 
            Notifier notifier = Notifier.getNotifier(); 
            notifier.addlistener(loger); 
            notifier.addlistener(timer); 
            System.out.println("Server starting ..."); 
            Server server = new Server(5100); 
            Thread tServer = new Thread(server); 
            tServer.start(); 
        } 
        catch (Exception e) { 
            System.out.println("Server error: " + e.getMessage()); 
            System.exit(-1); 
        } 
    } 
 }

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