Scalable IO in Java

简介:

Scalable IO in Java

http://gee.cs.oswego.edu/dl/cpjslides/nio.pdf

大部分IO都是下面这个步骤,

Most have same basic structure: 
Read request 
Decode request 
Process service 
Encode reply 
Send reply

关键是如何处理并发, 最原始就是单纯的用多线程

image

class Server implements Runnable {
    public void run() {
        try {
            ServerSocket ss = new ServerSocket(PORT);
            while (!Thread.interrupted())
            new Thread(new Handler(ss.accept())).start(); //创建新线程来handle
            // or, single-threaded, or a thread pool
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }
    
    static class Handler implements Runnable {
        final Socket socket;
        Handler(Socket s) { socket = s; }
        public void run() {
            try {
                byte[] input = new byte[MAX_INPUT];
                socket.getInputStream().read(input);
                byte[] output = process(input);
                socket.getOutputStream().write(output);
            } catch (IOException ex) { /* ... */ }
        }       
        private byte[] process(byte[] cmd) { /* ... */ }
    }
}

显然简单的多线程会带来扩展性问题, 当client数量变的很多的时候, 还其他的可用性, 性能的问题 
解决方法就是Divide-and-conquer, 分开后, 就需要Event-driven Designs来串联起来...

 

单线程版本的Reactor, 所有事情read, process, write都由单个线程完成, 完成一步重新设置下一步的event, 然后干其他的事 
问题当然就是, 其中任何步骤不能消耗太多时间, 因为只有一个线程, 你占住了就会block其他任务 
ps, 不明白为什么要画那么大个acceptor, 只是作为第一步的callback对象...

image

看代码会更清楚,

class Reactor implements Runnable { 
    final Selector selector;
    final ServerSocketChannel serverSocket;
    Reactor(int port) throws IOException { //Reactor初始化
        selector = Selector.open();
        serverSocket = ServerSocketChannel.open();
        serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
        serverSocket.configureBlocking(false); //非阻塞
        SelectionKey sk = serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //分步处理,第一步,接收accept事件
        sk.attach(new Acceptor()); //attach callback object, Acceptor
    }
    
    public void run() { 
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select();
                Set selected = selector.selectedKeys();
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext())
                    dispatch((SelectionKey)(it.next()); //Reactor负责dispatch收到的事件
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }
    
    void dispatch(SelectionKey k) {
    	Runnable r = (Runnable)(k.attachment()); //调用之前注册的callback对象
    	if (r != null)
    	    r.run();
    }
    
    class Acceptor implements Runnable { // inner
        public void run() {
            try {
                SocketChannel c = serverSocket.accept();
                if (c != null)
                new Handler(selector, c);
            }
            catch(IOException ex) { /* ... */ }
        }
    }
}

final class Handler implements Runnable {
    final SocketChannel socket;
    final SelectionKey sk;
    ByteBuffer input = ByteBuffer.allocate(MAXIN);
    ByteBuffer output = ByteBuffer.allocate(MAXOUT);
    static final int READING = 0, SENDING = 1;
    int state = READING;
    
    Handler(Selector sel, SocketChannel c) throws IOException {
        socket = c; c.configureBlocking(false);
        // Optionally try first read now
        sk = socket.register(sel, 0);
        sk.attach(this); //将Handler作为callback对象
        sk.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //第二步,接收Read事件
        sel.wakeup();
    }
    boolean inputIsComplete() { /* ... */ }
    boolean outputIsComplete() { /* ... */ }
    void process() { /* ... */ }
    
    public void run() {
        try {
            if (state == READING) read();
            else if (state == SENDING) send();
        } catch (IOException ex) { /* ... */ }
    }
    
    void read() throws IOException {
        socket.read(input);
        if (inputIsComplete()) {
            process();
            state = SENDING;
            // Normally also do first write now
            sk.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //第三步,接收write事件
        }
    }
    void send() throws IOException {
        socket.write(output);
        if (outputIsComplete()) sk.cancel(); //write完就结束了, 关闭select key
    }
}

//上面 的实现用Handler来同时处理Read和Write事件, 所以里面出现状态判断
//我们可以用State-Object pattern来更优雅的实现
class Handler { // ...
    public void run() { // initial state is reader
        socket.read(input);
        if (inputIsComplete()) {
            process();
            sk.attach(new Sender());  //状态迁移, Read后变成write, 用Sender作为新的callback对象
              sk.interest(SelectionKey.OP_WRITE);
            sk.selector().wakeup();
        }
    }
    class Sender implements Runnable {
        public void run(){ // ...
            socket.write(output);
            if (outputIsComplete()) sk.cancel();
        }
    }
}

 

单线程模式的局限还是比较明显的 
所以改进是, 将比较耗时的部分, 从reactor线程中分离出去, 让reactor专门负责IO 
而另外创建Thread Pool和queue来缓存和处理任务 
所以其实已经进化成Proactor模式, 异步模式

image

 

class Handler implements Runnable {
    // uses util.concurrent thread pool
    static PooledExecutor pool = new PooledExecutor(...);
    static final int PROCESSING = 3;
    // ...
    synchronized void read() { // ...
        socket.read(input);
        if (inputIsComplete()) {
            state = PROCESSING;
            pool.execute(new Processer()); //使用线程pool异步执行
        }
    }
    
    synchronized void processAndHandOff() {
        process();
        state = SENDING; // or rebind attachment
        sk.interest(SelectionKey.OP_WRITE); //process完,开始等待write事件
    }
    
    class Processer implements Runnable {
        public void run() { processAndHandOff(); }
    }
}

使用多个reactor进程, 主reactor只负责accept, 然后将接收到的socketchannel交给subReactor去listen和处理 
当然也可以在subReactor下加上线程池进行异步处理 
坦白的说, 没看出用多个reactor有啥大的提升, 降低mainReactor listen的负担?

image

Selector[] selectors; //subReactors集合, 一个selector代表一个subReactor
int next = 0;
class Acceptor { // ...
    public synchronized void run() { ...
        Socket connection = serverSocket.accept(); //主selector负责accept
        if (connection != null)
            new Handler(selectors[next], connection); //选个subReactor去负责接收到的connection
        if (++next == selectors.length) next = 0;
    }
}

本文章摘自博客园,原文发布日期:2013-10-11
目录
相关文章
|
3月前
|
存储 Java
【IO面试题 四】、介绍一下Java的序列化与反序列化
Java的序列化与反序列化允许对象通过实现Serializable接口转换成字节序列并存储或传输,之后可以通过ObjectInputStream和ObjectOutputStream的方法将这些字节序列恢复成对象。
|
1月前
|
存储 缓存 Java
java基础:IO流 理论与代码示例(详解、idea设置统一utf-8编码问题)
这篇文章详细介绍了Java中的IO流,包括字符与字节的概念、编码格式、File类的使用、IO流的分类和原理,以及通过代码示例展示了各种流的应用,如节点流、处理流、缓存流、转换流、对象流和随机访问文件流。同时,还探讨了IDEA中设置项目编码格式的方法,以及如何处理序列化和反序列化问题。
67 1
java基础:IO流 理论与代码示例(详解、idea设置统一utf-8编码问题)
|
2月前
|
安全 Java API
【Java面试题汇总】Java基础篇——String+集合+泛型+IO+异常+反射(2023版)
String常量池、String、StringBuffer、Stringbuilder有什么区别、List与Set的区别、ArrayList和LinkedList的区别、HashMap底层原理、ConcurrentHashMap、HashMap和Hashtable的区别、泛型擦除、ABA问题、IO多路复用、BIO、NIO、O、异常处理机制、反射
【Java面试题汇总】Java基础篇——String+集合+泛型+IO+异常+反射(2023版)
|
1月前
|
Java 数据处理 开发者
揭秘Java IO流:字节流与字符流的神秘面纱!
揭秘Java IO流:字节流与字符流的神秘面纱!
36 1
|
1月前
|
自然语言处理 Java 数据处理
Java IO流全解析:字节流和字符流的区别与联系!
Java IO流全解析:字节流和字符流的区别与联系!
83 1
|
1月前
|
Java
Java 中 IO 流的分类详解
【10月更文挑战第10天】不同类型的 IO 流具有不同的特点和适用场景,我们可以根据具体的需求选择合适的流来进行数据的输入和输出操作。在实际应用中,还可以通过组合使用多种流来实现更复杂的功能。
48 0
|
2月前
|
Java 大数据 API
Java 流(Stream)、文件(File)和IO的区别
Java中的流(Stream)、文件(File)和输入/输出(I/O)是处理数据的关键概念。`File`类用于基本文件操作,如创建、删除和检查文件;流则提供了数据读写的抽象机制,适用于文件、内存和网络等多种数据源;I/O涵盖更广泛的输入输出操作,包括文件I/O、网络通信等,并支持异常处理和缓冲等功能。实际开发中,这三者常结合使用,以实现高效的数据处理。例如,`File`用于管理文件路径,`Stream`用于读写数据,I/O则处理复杂的输入输出需求。
|
1月前
|
存储 Java 程序员
【Java】文件IO
【Java】文件IO
37 0
|
2月前
|
数据采集 Java 数据挖掘
Java IO异常处理:在Web爬虫开发中的实践
Java IO异常处理:在Web爬虫开发中的实践
|
3月前
|
Java 数据处理
Java IO 接口(Input)究竟隐藏着怎样的神秘用法?快来一探究竟,解锁高效编程新境界!
【8月更文挑战第22天】Java的输入输出(IO)操作至关重要,它支持从多种来源读取数据,如文件、网络等。常用输入流包括`FileInputStream`,适用于按字节读取文件;结合`BufferedInputStream`可提升读取效率。此外,通过`Socket`和相关输入流,还能实现网络数据读取。合理选用这些流能有效支持程序的数据处理需求。
47 2
下一篇
无影云桌面