JavaI/OAPI之性能分析(上)

2019-11-18 11:16:16

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供稿：網(wǎng)友

　　IO API的可伸縮性對Web應(yīng)用有著極其重要的意義。java 1.4版以前的API中，阻塞I/O令許多人失望。從J2SE 1.4版本開始，Java終于有了可伸縮的I/O API。本文分析并計算了新舊I/O API在可伸縮性方面的差異。
　　
　　一、概述
　　IO API的可伸縮性對Web應(yīng)用有著極其重要的意義。Java 1.4版以前的API中，阻塞I/O令許多人失望。從J2SE 1.4版本開始，Java終于有了可伸縮的I/O API。本文分析并計算了新舊IO API在可伸縮性方面的差異。Java向Socket寫入數(shù)據(jù)時必須調(diào)用關(guān)聯(lián)的OutputStream的write()方法。只有當(dāng)所有的數(shù)據(jù)全部寫入時，write()方法調(diào)用才會返回。倘若發(fā)送緩沖區(qū)已滿且連接速度很低，這個調(diào)用可能需要一段時間才能完成。假如程序只使用單一的線程，其他連接就必須等待，即使那些連接已經(jīng)做好了調(diào)用write()的預(yù)備也一樣。為了解決這個問題，你必須把每一個Socket和一個線程關(guān)聯(lián)起來；采用這種方法之后，當(dāng)一個線程由于I/O相關(guān)的任務(wù)被阻塞時，另一個線程仍然能夠運行。
　　
　　盡管線程的開銷不如進(jìn)程那么大，但是，考慮到底層的操作平臺，線程和進(jìn)程都屬于消耗大量資源的程序結(jié)構(gòu)。每一個線程都要占用一定數(shù)量的內(nèi)存，而且除此之外，多個線程還意味著線程上下文的切換，而這種切換也需要昂貴的資源開銷。因此，Java需要一個新的API來分離Socket與線程之間過于緊密的聯(lián)系。在新的Java I/O API（java.nio.*）中，這個目標(biāo)終于實現(xiàn)了。
　　
　　本文分析和比較了用新、舊兩種I/O API編寫的簡單Web服務(wù)器。由于作為Web協(xié)議的HTTP不再象原來那樣只用于一些簡單的目的，因此這里介紹的例子只包含要害的功能，或者說，它們既不考慮安全因素，也不嚴(yán)格遵從協(xié)議規(guī)范。
　　
　　二、用舊API編寫的HTTP服務(wù)器
　　首先我們來看看用舊式API編寫的HTTP服務(wù)器。這個實現(xiàn)只使用了一個類。main()方法首先創(chuàng)建了一個綁定到8080端口的ServerSocket：
　　
　　public static void main() throws IOException {
　　ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
　　for (int i=0; i < Integer.parseInt(args[0]); i++) {
　　new Httpd(serverSocket);
　　}
　　}
　　
　　接下來，main()方法創(chuàng)建了一系列的Httpd對象，并用共享的ServerSocket初始化它們。在Httpd的構(gòu)造函數(shù)中，我們保證每一個實例都有一個有意義的名字，設(shè)置默認(rèn)協(xié)議，然后通過調(diào)用其超類Thread的start()方法啟動服務(wù)器。此舉導(dǎo)致對run()方法的一次異步調(diào)用，而run()方法包含一個無限循環(huán)。
　　
　　在run()方法的無限循環(huán)中，ServerSocket的阻塞性accpet()方法被調(diào)用。當(dāng)客戶程序連接服務(wù)器的8080端口，accept()方法將返回一個Socket對象。每一個Socket關(guān)聯(lián)著一個InputStream和一個OutputStream，兩者都要在后繼的handleRequest()方法調(diào)用中用到。這個方法將讀取客戶程序的請求，經(jīng)過檢查和處理，然后把合適的應(yīng)答發(fā)送給客戶程序。假如客戶程序的請求合法，通過sendFile()方法返回客戶程序請求的文件；否則，客戶程序?qū)⑹盏较鄳?yīng)的錯誤信息（調(diào)用sendError()）方法。
　　
　　
　　while (true) {
　　...
　　socket = serverSocket.accept();
　　...
　　handleRequest();
　　...
　　socket.close();
　　}
　　
　　現(xiàn)在我們來分析一下這個實現(xiàn)。它能夠出色地完成任務(wù)嗎？答案基本上是肯定的。當(dāng)然，請求分析過程還可以進(jìn)一步優(yōu)化，因為在性能方面StringTokenizer的聲譽一直不佳。但這個程序至少已經(jīng)關(guān)閉了TCP延遲（對于短暫的連接來說它很不合適），同時為外發(fā)的文件設(shè)置了緩沖。而且更重要的是，所有的線程操作都相互獨立。新的連接請求由哪一個線程處理由本機(jī)的（因而也是速度較快的）accept()方法決定。除了ServerSocket對象之外，各個線程之間不共享可能需要同步的任何其他資源。這個方案速度較快，但令人遺憾的是，它不具有很好的可伸縮性，其原因就在于，很顯然地，線程是一種有限的資源。
　　
　　三、非阻塞的HTTP服務(wù)器
　　下面我們來看看另一個使用非阻塞的新I/O API的方案。新的方案要比原來的方案稍微復(fù)雜一點，而且它需要各個線程的協(xié)作。它包含下面四個類：
　　
　　NIOHttpd
　　Acceptor
　　Connection
　　ConnectionSelector
　　
　　NIOHttpd的主要任務(wù)是啟動服務(wù)器。就象前面的Httpd一樣，一個服務(wù)器Socket被綁定到8080端口。兩者主要的區(qū)別在于，新版本的服務(wù)器使用java.nio.channels.ServerSocketChannel而不是ServerSocket。在利用bind()方法顯式地把Socket綁定到端口之前，必須先打開一個管道（Channel）。然后，main()方法實例化了一個ConnectionSelector和一個Acceptor。這樣，每一個ConnectionSelector都可以用一個Acceptor注冊；另外，實例化Acceptor時還提供了ServerSocketChannel。
　　
　　public static void main() throws IOException {
　　ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
　　ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
　　ConnectionSelector cs = new ConnectionSelector();
　　new Acceptor(ssc, cs);
　　}
　　
　　為了理解這兩個線程之間的交互過程，首先我們來仔細(xì)地分析一下Acceptor。Acceptor的主要任務(wù)是接受傳入的連接請求，并通過ConnectionSelector注冊它們。Acceptor的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用了超類的start()方法；run()方法包含了必需的無限循環(huán)。在這個循環(huán)中，一個阻塞性的accept()方法被調(diào)用，它最終將返回一個Socket對象――這個過程幾乎與Httpd的處理過程一樣，但這里使用的是ServerSocketChannel的accept()方法，而不是ServerSocket的accept()方法。最后，以調(diào)用accept()方法獲得的socketChannel對象為參數(shù)創(chuàng)建一個Connection對象，并通過ConnectionSelector的queue()方法注冊它。
　　
　　while (true) {
　　...
　　socketChannel = serverSocketChannel.accept();
　　connectionSelector.queue(new Connection(socketChannel));
　　...
　　}
　　
　　總而言之：Acceptor只能在一個無限循環(huán)中接受連接請求和通過ConnectionSelector注冊連接。與Acceptor一樣，ConnectionSelector也是一個線程。在構(gòu)造函數(shù)中，它構(gòu)造了一個隊列，并用Selector.open()方法打開了一個java.nio.channels.Selector。Selector是整個服務(wù)器中最重要的部分之一，它使得程序能夠注冊連接，能夠獲取已經(jīng)答應(yīng)讀取和寫入操作的連接的清單。
　　
　　構(gòu)造函數(shù)調(diào)用start()方法之后，run()方法里面的無限循環(huán)開始執(zhí)行。在這個循環(huán)中，程序調(diào)用了Selector的select()方法。這個方法一直阻塞，直到已經(jīng)注冊的連接之一做好了I/O操作的預(yù)備，或Selector的wakeup()方法被調(diào)用。
　　
　　while (true) {
　　...
　　int i = selector.select();
　　registerQueuedConnections();
　　...
　　// 處理連接...
　　}
　　
　　當(dāng)ConnectionSelector線程執(zhí)行select()時，沒有一個Acceptor線程能夠用該Selector注冊連接，因為對應(yīng)的方法是同步方法，理解這一點是很重要的。因此這里使用了隊列，必要時Acceptor線程向隊列加入連接。
　　
　　public void queue(Connection connection) {
　　synchronized (queue) {
　　queue.add(connection);
　　}
　　selector.wakeup();
　　}
　　
　　緊接著把連接放入隊列的操作，Acceptor調(diào)用Selector的wakeup()方法。這個調(diào)用導(dǎo)致ConnectionSelector線程繼續(xù)執(zhí)行，從正在被阻塞的select()調(diào)用返回。由于Selector不再被阻塞，ConnectionSelector現(xiàn)在能夠從隊列注冊連接。在registerQueuedConnections()方法中，其實施過程如下：
　　
　　if (!queue.isEmpty()) {
　　synchronized (queue) {
　　while (!queue.isEmpty()) {
　　Connection connection =
　　(Connection)queue.remove(queue.size()-1);
　　connection.register(selector);
　　}
　　}
　　}

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