使用Java NIO编写高性能的服务器

从JDK 1.4开始，Java的标准库中就包含了NIO，即所谓的“New IO”。其中最重要的功能就是提供了“非阻塞”的IO，当然包括了Socket。NonBlocking的IO就是对select(Unix平台下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平台)的封装，提供了高性能、易伸缩的服务架构。

说来惭愧，直到JDK1.4才有这种功能，但迟到者不一定没有螃蟹吃，NIO就提供了优秀的面向对象的解决方案，可以很方便地编写高性能的服务器。

话说回来，传统的Server/Client实现是基于Thread per request，即服务器为每个客户端请求建立一个线程处理，单独负责处理一个客户的请求。比如像Tomcat(新版本也会提供NIO方案)、Resin等Web服务器就是这样实现的。当然为了减少瞬间峰值问题，服务器一般都使用线程池，规定了同时并发的最大数量，避免了线程的无限增长。

但这样有一个问题：如果线程池的大小为100，当有100个用户同时通过HTTP现在一个大文件时，服务器的线程池会用完，因为所有的线程都在传输大文件了，即使第101个请求者仅仅请求一个只有10字节的页面，服务器也无法响应了，只有等到线程池中有空闲的线程出现。

另外，线程的开销也是很大的，特别是达到了一个临界值后，性能会显著下降，这也限制了传统的Socket方案无法应对并发量大的场合，而“非阻塞”的IO就能轻松解决这个问题。

下面只是一个简单的例子：服务器提供了下载大型文件的功能，客户端连接上服务器的12345端口后，就可以读取服务器发送的文件内容信息了。注意这里的服务器只有一个主线程，没有其他任何派生线程，让我们看看NIO是如何用一个线程处理N个请求的。

NIO服务器最核心的一点就是反应器模式：当有感兴趣的事件发生的，就通知对应的事件处理器去处理这个事件，如果没有，则不处理。所以使用一个线程做轮询就可以了。当然这里这是个例子，如果要获得更高性能，可以使用少量的线程，一个负责接收请求，其他的负责处理请求，特别是对于多CPU时效率会更高。

关于使用NIO过程中出现的问题，最为普遍的就是为什么没有请求时CPU的占用率为100%?出现这种问题的主要原因是注册了不感兴趣的事件，比如如果没有数据要发到客户端，而又注册了写事件(OP_WRITE)，则在 Selector.select()上就会始终有事件出现，CPU就一直处理了，而此时select()应该是阻塞的。

另外一个值得注意的问题是：由于只使用了一个线程(多个线程也如此)处理用户请求，所以要避免线程被阻塞，解决方法是事件的处理者必须要即刻返回，不能陷入循环中，否则会影响其他用户的请求速度。

具体到本例子中，由于文件比较大，如果一次性发送整个文件(这里的一次性不是指send整个文件内容，而是通过while循环不间断的发送分组包)，则主线程就会阻塞，其他用户就不能响应了。这里的解决方法是当有WRITE事件时，仅仅是发送一个块(比如4K字节)。发完后，继续等待WRITE事件出现，依次处理，直到整个文件发送完毕，这样就不会阻塞其他用户了。

服务器的例子：

package nio.file;     
import java.io.FileInputStream;     
import java.io.IOException;     
import java.net.InetSocketAddress;     
import java.nio.ByteBuffer;     
import java.nio.CharBuffer;      
import java.nio.channels.FileChannel;     
import java.nio.channels.SelectionKey;     
import java.nio.channels.Selector;     
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;     
import java.nio.channels.SocketChannel;     
import java.nio.charset.Charset;     
import java.nio.charset.CharsetDecoder;     
import java.util.Iterator;      
/**     
* 测试文件下载的NIOServer     
*     
* @author tenyears.cn     
*/    
public class NIOServer {      
static int BLOCK = 4096;      
// 处理与客户端的交互     
public class HandleClient {     
protected FileChannel channel;      
protected ByteBuffer buffer;     
public HandleClient() throws IOException {     
this.channel = new FileInputStream(filename).getChannel();      
this.buffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);      
}      
public ByteBuffer readBlock() {     
try {     
buffer.clear();      
int count = channel.read(buffer);      
buffer.flip();      
if (count <= 0)      
return null;      
} catch (IOException e) {     
e.printStackTrace();      
}     
return buffer;      
}     
public void close() {     
try {     
channel.close();     
} catch (IOException e) {      
e.printStackTrace();     
}     
}     
}      
protected Selector selector;      
protected String filename = "d:\\bigfile.dat"; // a big file      
protected ByteBuffer clientBuffer = ByteBuffer.allocate(BLOCK);     
protected CharsetDecoder decoder;     
public NIOServer(int port) throws IOException {     
selector = this.getSelector(port);     
Charset charset = Charset.forName("GB2312");      
decoder = charset.newDecoder();      
}     
// 获取Selector     
protected Selector getSelector(int port) throws IOException {     
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();     
Selector sel = Selector.open();     
server.socket().bind(new InetSocketAddress(port));     
server.configureBlocking(false);     
server.register(sel, SelectionKey.OP_ACCEPT);     
return sel;      
}      
// 监听端口     
public void listen() {     
try {     
for (;;) {     
selector.select();     
Iterator iter = selector.selectedKeys()     
.iterator();     
while (iter.hasNext()) {     
SelectionKey key = iter.next();     
iter.remove();     
handleKey(key);     
}     
}     
} catch (IOException e) {     
e.printStackTrace();      
}      
}      
// 处理事件      
protected void handleKey(SelectionKey key) throws IOException {     
if (key.isAcceptable()) { // 接收请求     
ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();     
SocketChannel channel = server.accept();     
channel.configureBlocking(false);      
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);      
} else if (key.isReadable()) { // 读信息      
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();      
int count = channel.read(clientBuffer);     
if (count > 0) {     
clientBuffer.flip();     
CharBuffer charBuffer = decoder.decode(clientBuffer);     
System.out.println("Client >>" + charBuffer.toString());      
SelectionKey wKey = channel.register(selector,      
SelectionKey.OP_WRITE);      
wKey.attach(new HandleClient());      
} else    
channel.close();      
clientBuffer.clear();     
} else if (key.isWritable()) { // 写事件     
SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();     
HandleClient handle = (HandleClient) key.attachment();      
ByteBuffer block = handle.readBlock();      
if (block != null)      
channel.write(block);     
else {     
handle.close();     
channel.close();      
}     
}      
}     
public static void main(String[] args) {     
int port = 12345;     
try {     
NIOServer server = new NIOServer(port);     
System.out.println("Listernint on " + port);     
while (true) {     
server.listen();     
}     
} catch (IOException e) {      
e.printStackTrace();      
}      
}     
}    

该代码中，通过一个HandleClient来获取文件的一块数据，每一个客户都会分配一个HandleClient的实例。

下面是客户端请求的代码，也比较简单，模拟100个用户同时下载文件。

package nio.file;     
import java.io.IOException;     
import java.net.InetSocketAddress;      
import java.nio.ByteBuffer;      
import java.nio.CharBuffer;      
import java.nio.channels.SelectionKey;     
import java.nio.channels.Selector;      
import java.nio.channels.SocketChannel;      
import java.nio.charset.Charset;      
import java.nio.charset.CharsetEncoder;      
import java.util.Iterator;     
import java.util.concurrent.ExecutorService;      
import java.util.concurrent.Executors;      
/**      
* 文件下载客户端      
* @author tenyears.cn     
*/     
public class NIOClient {      
static int SIZE = 100;      
static InetSocketAddress ip = new InetSocketAddress("localhost",12345);      
static CharsetEncoder encoder = Charset.forName("GB2312").newEncoder();     
static class Download implements Runnable {      
protected int index;      
public Download(int index) {      
this.index = index;      
}      
public void run() {      
try {      
long start = System.currentTimeMillis();      
SocketChannel client = SocketChannel.open();     
client.configureBlocking(false);     
Selector selector = Selector.open();      
client.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);      
client.connect(ip);     
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8 * 1024);     
int total = 0;     
FOR: for (;;) {      
selector.select();      
Iterator iter = selector.selectedKeys()      
.iterator();      
while (iter.hasNext()) {      
SelectionKey key = iter.next();     
iter.remove();     
if (key.isConnectable()) {     
SocketChannel channel = (SocketChannel) key     
.channel();      
if (channel.isConnectionPending())     
channel.finishConnect();     
channel.write(encoder.encode(CharBuffer     
.wrap("Hello from " + index)));     
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);      
} else if (key.isReadable()) {      
SocketChannel channel = (SocketChannel) key      
.channel();     
int count = channel.read(buffer);     
if (count > 0) {      
total += count;      
buffer.clear();     
} else {      
client.close();      
break FOR;      
}      
}     
}      
}      
double last = (System.currentTimeMillis() - start) * 1.0 / 1000;     
System.out.println("Thread " + index + " downloaded " + total      
+ "bytes in " + last + "s.");      
} catch (IOException e) {      
e.printStackTrace();      
}      
}     
}     
public static void main(String[] args) throws IOException {     
ExecutorService exec = Executors.newFixedThreadPool(SIZE);      
for (int index = 0; index < SIZE; index++) {     
exec.execute(new Download(index));      
}      
exec.shutdown();     
}      
}   

操作系统的API epoll, select， NonBlocking的IO就是对select(Unix平台下)以及 WaitForMultipleObjects(Windows平台)的封装，是OS级别下的支持。