java从单线程到多线程

Posted 2021-09-07 rt1lj4fp

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。