初试Java 7 NIO2：实现高性能的HTTP Server-java web start

本文来自DoubleH的BlogJava博客，原文标题为《JDK7 NIO2 实践: 增加 TransmitFile支持》。对于Java 7 NIO2特性的更多描述，可参考以前Google的一次技术演讲。

#t#JDK7的NIO2特性或许是我最期待的，我一直想基于它写一个高性能的Java Http Server.现在这个想法终于可以实施了。

本人基于目前最新的JDK7 b76开发了一个HTTP Server性能确实不错。

在windows平台上NIO2采用AccpetEx来异步接受连接，并且读写全都关联到IOCP完成端口。不仅如此，为了方便开发者使用，连IOCP工作线程都封装好了，你只要提供线程池就OK。

但是要注意，IOCP工作线程的线程池必须是 Fix的，因为你发出的读写请求都关联到相应的线程上，如果线程死了，那读写完成情况是不知道的。

作为一个Http Server，传送文件是必不可少的功能，那一般文件的传送都是要把程序里的buffer拷贝到内核的buffer，由内核发送出去的。windows平台上为这种情况提供了很好的解决方案，使用TransmitFile接口

BOOL TransmitFile(  
    SOCKET hSocket,  
    HANDLE hFile,  
    DWORD nNumberOfBytesToWrite,  
    DWORD nNumberOfBytesPerSend,  
    LPOVERLAPPED lpOverlapped,  
    LPTRANSMIT_FILE_BUFFERS lpTransmitBuffers,  
    DWORD dwFlags  
);

你只要把文件句柄发送给内核就行了，内核帮你搞定其余的，真正做到Zero-Copy.

但是很不幸，NIO2里AsynchronousSocketChannel没有提供这样的支持。而为HTTP Server的性能考量，本人只好自己增加这个支持。

要无缝支持，这个必须得表现的跟 Read /Write一样，有完成的通知，通知传送多少数据，等等。

仔细读完sun的IOCP实现以后发现这部分工作他们封装得很好，基本只要往他们的框架里加东西就好了。

为了能访问他们的框架代码，我定义自己的TransmitFile支持类在sun.nio.ch包里，以获得最大的权限。

package sun.nio.ch;  
 
import java.io.IOException;  
import java.lang.reflect.Field;  
import java.nio.channels.AsynchronousCloseException;  
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
import java.nio.channels.ClosedChannelException;  
import java.nio.channels.CompletionHandler;  
import java.nio.channels.NotYetConnectedException;  
import java.nio.channels.WritePendingException;  
import java.util.concurrent.Future;  
 
 
/**  
 * @author Yvon  
 *   
 */ 
public class WindowsTransmitFileSupport {  
     
   //Sun's NIO2 channel  implementation class   
    private WindowsAsynchronousSocketChannelImpl channel;  
     
    //nio2 framework core data structure  
    PendingIoCache ioCache;  
 
   //some field retrieve from sun channel implementation class   
    private Object writeLock;  
    private Field writingF;  
    private Field writeShutdownF;  
    private Field writeKilledF; // f  
 
    WindowsTransmitFileSupport()  
    {  
        //dummy one for JNI code  
    }  
 
    /**  
     *   
     */ 
    public WindowsTransmitFileSupport(  
            AsynchronousSocketChannel  
             channel) {  
 
        this.channel = (WindowsAsynchronousSocketChannelImpl)channel;  
        try {  
        // Initialize the fields  
            Field f = WindowsAsynchronousSocketChannelImpl.class 
                    .getDeclaredField("ioCache");  
            f.setAccessible(true);  
            ioCache = (PendingIoCache) f.get(channel);  
            f = AsynchronousSocketChannelImpl.class 
                    .getDeclaredField("writeLock");  
            f.setAccessible(true);  
            writeLock = f.get(channel);  
            writingF = AsynchronousSocketChannelImpl.class 
                    .getDeclaredField("writing");  
            writingF.setAccessible(true);  
 
            writeShutdownF = AsynchronousSocketChannelImpl.class 
                    .getDeclaredField("writeShutdown");  
            writeShutdownF.setAccessible(true);  
 
            writeKilledF = AsynchronousSocketChannelImpl.class 
                    .getDeclaredField("writeKilled");  
            writeKilledF.setAccessible(true);  
 
        } catch (NoSuchFieldException e) {  
            // TODO Auto-generated catch block  
            e.printStackTrace();  
        } catch (SecurityException e) {  
            // TODO Auto-generated catch block  
            e.printStackTrace();  
        } catch (IllegalArgumentException e) {  
            // TODO Auto-generated catch block  
            e.printStackTrace();  
        } catch (IllegalAccessException e) {  
            // TODO Auto-generated catch block  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
 
      
    /**  
     * Implements the task to initiate a write and the handler to consume the  
     * result when the send file completes.  
     */ 
    private class SendFileTask implements Runnable, Iocp.ResultHandler {  
        private final PendingFuture result;  
        private final long file;//file is windows file HANDLE  
 
        SendFileTask(long file, PendingFuture result) {  
            this.result = result;  
            this.file = file;  
        }  
 
      
 
        @Override 
        // @SuppressWarnings("unchecked")  
        public void run() {  
            long overlapped = 0L;  
            boolean pending = false;  
            boolean shutdown = false;  
 
            try {  
                channel.begin();  
 
          
 
                // get an OVERLAPPED structure (from the cache or allocate)  
                overlapped = ioCache.add(result);  
                int n = transmitFile0(channel.handle, file, overlapped);  
                if (n == IOStatus.UNAVAILABLE) {  
                    // I/O is pending  
                    pending = true;  
                    return;  
                }  
                if (n == IOStatus.EOF) {  
                    // special case for shutdown output  
                    shutdown = true;  
                    throw new ClosedChannelException();  
                }  
                // write completed immediately  
                throw new InternalError("Write completed immediately");  
            } catch (Throwable x) {  
                // write failed. Enable writing before releasing waiters.  
                channel.enableWriting();  
                if (!shutdown && (x instanceof ClosedChannelException))  
                    x = new AsynchronousCloseException();  
                if (!(x instanceof IOException))  
                    x = new IOException(x);  
                result.setFailure(x);  
            } finally {  
                // release resources if I/O not pending  
                if (!pending) {  
                    if (overlapped != 0L)  
                        ioCache.remove(overlapped);  
                  
                }  
                channel.end();  
            }  
 
            // invoke completion handler  
            Invoker.invoke(result);  
        }  
 
          
 
        /**  
         * Executed when the I/O has completed  
         */ 
        @Override 
        @SuppressWarnings("unchecked")  
        public void completed(int bytesTransferred, boolean canInvokeDirect) {  
      
 
            // release waiters if not already released by timeout  
            synchronized (result) {  
                if (result.isDone())  
                    return;  
                channel.enableWriting();  
 
                result.setResult((V) Integer.valueOf(bytesTransferred));  
 
            }  
            if (canInvokeDirect) {  
                Invoker.invokeUnchecked(result);  
            } else {  
                Invoker.invoke(result);  
            }  
        }  
 
        @Override 
        public void failed(int error, IOException x) {  
            // return direct buffer to cache if substituted  
          
 
            // release waiters if not already released by timeout  
            if (!channel.isOpen())  
                x = new AsynchronousCloseException();  
 
            synchronized (result) {  
                if (result.isDone())  
                    return;  
                channel.enableWriting();  
                result.setFailure(x);  
            }  
            Invoker.invoke(result);  
        }  
 
    }  
 
    public extends Number, A> Future sendFile(long file, A att,  
            CompletionHandlersuper A> handler) {  
 
        boolean closed = false;  
        if (channel.isOpen()) {  
            if (channel.remoteAddress == null)  
                throw new NotYetConnectedException();  
 
              
            // check and update state  
            synchronized (writeLock) {  
                try{  
                if (writeKilledF.getBoolean(channel))  
                    throw new IllegalStateException(  
                            "Writing not allowed due to timeout or cancellation");  
                if (writingF.getBoolean(channel))  
                    throw new WritePendingException();  
                if (writeShutdownF.getBoolean(channel)) {  
                    closed = true;  
                } else {  
                    writingF.setBoolean(channel, true);  
                }  
                }catch(Exception e)  
                {  
                    IllegalStateException ise=new IllegalStateException(" catch exception when write");  
                    ise.initCause(e);  
                    throw ise;  
                }  
            }  
        } else {  
            closed = true;  
        }  
 
        // channel is closed or shutdown for write  
        if (closed) {  
            Throwable e = new ClosedChannelException();  
            if (handler == null)  
                return CompletedFuture.withFailure(e);  
            Invoker.invoke(channel, handler, att, null, e);  
            return null;  
        }  
 
 
 
        return implSendFile(file,att,handler);  
    }  
 
 
    extends Number, A> Future implSendFile(long file, A attachment,  
            CompletionHandlersuper A> handler) {  
        // setup task  
        PendingFuture result = new PendingFuture(channel, handler,  
                attachment);  
        SendFileTask sendTask=new SendFileTask(file,result);  
        result.setContext(sendTask);  
        // initiate I/O (can only be done from thread in thread pool)  
        // initiate I/O  
        if (Iocp.supportsThreadAgnosticIo()) {  
            sendTask.run();  
        } else {  
            Invoker.invokeOnThreadInThreadPool(channel, sendTask);  
        }  
        return result;  
    }  
      
    private native int transmitFile0(long handle, long file,  
            long overlapped);  
      
}

这个操作跟默认实现的里的write操作是很像的，只是最后调用的本地方法不一样。。

接下来，我们怎么使用呢，这个类是定义在sun的包里的，直接用的话，会报IllegalAccessError,因为我们的类加载器跟初始化加载器是不一样的。

解决办法一个是通过启动参数-Xbootclasspath，让我们的包被初始加载器加载。我个人不喜欢这种办法，所以就采用JNI来定义我们的windows TransmitFile支持类。

这样我们的工作算是完成了，注意，发送文件的时候传得是文件句柄，这样做的好处是你可以更好的控制，一般是在发送前，打开文件句柄，完成后在回调通知方法里关闭文件句柄。

有兴趣的同学可以看看我的HTTP server项目:

http://code.google.com/p/jabhttpd/

目前基本功能实现得差不多，做了些简单的测试，性能比较满意。这个服务器不打算支持servlet api，基本是专门给做基于长连接模式通信的定做的。