Java NIO学习与记录（七）： Reactor单线程模型的实现

一、Selector&Channel

1.1：各种channel

写这个模型需要提前了解Selector以及Channel，之前记录过FileChannel，除此之外还有以下几种Channel：

ServerSocketChannel：用于监听新的TCP连接的通道，负责读取&响应，通常用于服务端的实现。

SocketChannel：用于发起TCP连接，读写网络中的数据，通常用于客户端的实现。

DatagramChannel：上述两个通道基于TCP传输协议，而这个通道则基于UDP，用于读写网络中的数据。

FileChannel：从文件读取数据。

本篇重点放在ServerSocketChannel和SocketChannel上，大部分客户端/服务端为了保证数据准确性，都是基于TCP传输协议实现的，由于使用Selector注册必须要求被注册的Channel是非阻塞模式的，因此FileChannel由于没有非阻塞模式（无法设置configureBlocking(false)），没办法和注册到selector。

1.2：selector

Selector是个通道注册器（用法会在程序里标注），是实现Reactor模型的关键，多个通道均可以注册到Selector，Selector负责监听每个Channel的几个事件：连接就绪、写就绪、读就绪，当某个channel注册感兴趣就绪事件到selector时，若发生兴趣事件就绪，则Selector.select()方法不再阻塞，返回兴趣事件集合（可能包含多个channel的），然后按照事件不同进行分发处理。

Selector返回对应的就绪事件，封装为SelectionKey，每个Channel对应一个SelectionKey，这个对象还可以通过attach方法附着处理类（Handler、Acceptor等）。

1.3：一个简单的例子

先来看个简单使用Selector做处理的服务端实现，可以简单对Selector和SelectionKey的用法做个了解：

 public static void main(String[] args) throws IOException {

        Selector selector = Selector.open(); //打开选择器

        ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); //打开通道
        serverSocketChannel.configureBlocking(false); //设置通道为非阻塞模式
        serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(2333)); //绑定端口
        serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); //注册channel到选择器，指定监听该Channel的哪些事件，初始化都是对连接事件监听（因为是入口）

        while (selector.select() > 0) { // 若收到就绪事件select返回“感兴趣”事件集合，否则阻塞当前线程
            Set keys = selector.selectedKeys(); //获取本次拿到的事件集合
            Iterator iterator = keys.iterator();
            while (iterator.hasNext()) {
                SelectionKey key = iterator.next();
                iterator.remove();
                if (key.isAcceptable()) { //当前就绪事件为连接事件
                    ServerSocketChannel skc = (ServerSocketChannel) key.channel(); //连接就绪触发，说明已经有客户端通道连了过来，这里需要拿服务端通道去获取客户端通道
                    SocketChannel socketChannel = skc.accept(); //获取客户端通道（连接就绪，说明客户端接下来可能还有别的动作，比如读和写）
                    socketChannel.configureBlocking(false); //同样的需要设置非阻塞模式
                    System.out.println(String.format("收到来自 %s 的连接", socketChannel.getRemoteAddress()));
                    socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); //将该客户端注册到选择器，感兴趣事件设置为读（客户端连接完毕，很肯能会往服务端写数据，因此这里要注册读事件用以接收这些数据）
                } else if (key.isReadable()) { //当前事件为读就绪
                    SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); //能触发读就绪，说明客户端已经开始往服务端写数据，通过SelectionKey拿到当前客户端通道
                    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                    int count = socketChannel.read(buffer); //从通道读入数据
                    if (count < 0) { //若本次读就绪拿到-1，则认为客户端主动断开了连接
                        socketChannel.close(); //服务端关闭客户端通道
                        key.cancel(); //断连后就将该事件从选择器的SelectionKey集合中移除（这里说一下，这里不是真正意义上的移除，这里是取消，会将该key放入取消队列里，在下次select函数调用时才负责清空）
                        System.out.println("连接关闭");
                        continue;
                    }
                    System.out.println(String.format("收到来自 %s 的消息: %s",
                            socketChannel.getRemoteAddress(),
                            new String(buffer.array())));
                }
                keys.remove(key);
            }
        }
    }

上面是一个简单的例子，接下来，就利用选择器、通道来实现Reactor单线程模型。

二、单Reactor单线程模型的服务端实现

实现服务端，服务端负责接收客户端的连接，接收客户端的请求数据以及响应客户端。

把上一篇的结构图再拿过来展示下，看看需要做的有哪些模块：

图1

通过上图，我们需要实现的模块有Reactor、Acceptor、Handler，下面来逐个编写：

2.1：Reactor核心模块

该模块内部包含两个核心方法，select和dispatch，该模块负责监听就绪事件和对事件的分发处理：

 

public class Reactor implements Runnable {

    private final Selector selector;
    private final ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    public Reactor(int port) throws IOException { //Reactor初始化
        selector = Selector.open(); //打开一个Selector
        serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); //建立一个Server端通道
        serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port)); //绑定服务端口
        serverSocketChannel.configureBlocking(false); //selector模式下，所有通道必须是非阻塞的
        //Reactor是入口，最初给一个channel注册上去的事件都是accept
        SelectionKey sk = serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
        //attach callback object, Acceptor
        sk.attach(new Acceptor(serverSocketChannel, selector));
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select(); //就绪事件到达之前，阻塞
                Set selected = selector.selectedKeys(); //拿到本次select获取的就绪事件
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    //这里进行任务分发
                    dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                }
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    void dispatch(SelectionKey k) {
        Runnable r = (Runnable) (k.attachment()); //这里很关键，拿到每次selectKey里面附带的处理对象，然后调用其run，这个对象在具体的Handler里会进行创建，初始化的附带对象为Acceptor（看上面构造器）
        //调用之前注册的callback对象
        if (r != null) {
            r.run();
        }
    }
}

细节已标注。

2.2：实现Acceptor模块

这个模块只负责处理连接就绪事件，有了这个事件就可以拿到客户单的SocketChannel，就可以继续完成接下来的读写任务了：

public class Acceptor implements Runnable {

    private final Selector selector;

    private final ServerSocketChannel serverSocketChannel;

    Acceptor(ServerSocketChannel serverSocketChannel, Selector selector) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
        this.selector = selector;
    }

    @Override
    public void run() {
        SocketChannel socketChannel;
        try {
            socketChannel = serverSocketChannel.accept();
            if (socketChannel != null) {
                System.out.println(String.format("收到来自 %s 的连接",
                        socketChannel.getRemoteAddress()));
                new Handler(socketChannel, selector); //这里把客户端通道传给Handler，Handler负责接下来的事件处理（除了连接事件以外的事件均可）
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

细节已标注。

2.3：Handler模块的实现

这个模块负责接下来的读写操作：

public class Handler implements Runnable {

    private final SelectionKey selectionKey;
    private final SocketChannel socketChannel;

    private ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
    private ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(2048);

    private final static int READ = 0;
    private final static int SEND = 1;

    private int status = READ;

    Handler(SocketChannel socketChannel, Selector selector) throws IOException {
        this.socketChannel = socketChannel; //接收客户端连接
        this.socketChannel.configureBlocking(false); //置为非阻塞模式（selector仅允非阻塞模式）
        selectionKey = socketChannel.register(selector, 0); //将该客户端注册到selector，得到一个SelectionKey，以后的select到的就绪动作全都是由该对象进行封装
        selectionKey.attach(this); //附加处理对象，当前是Handler对象，run是对象处理业务的方法
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //走到这里，说明之前Acceptor里的建连已完成，那么接下来就是读取动作，因此这里首先将读事件标记为“感兴趣”事件
        selector.wakeup(); //唤起select阻塞
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            switch (status) {
                case READ:
                    read();
                    break;
                case SEND:
                    send();
                    break;
                default:
            }
        } catch (IOException e) { //这里的异常处理是做了汇总，常出的异常就是server端还有未读/写完的客户端消息，客户端就主动断开连接，这种情况下是不会触发返回-1的，这样下面read和write方法里的cancel和close就都无法触发，这样会导致死循环异常（read/write处理失败，事件又未被cancel，因此会不断的被select到，不断的报异常）
            System.err.println("read或send时发生异常！异常信息：" + e.getMessage());
            selectionKey.cancel();
            try {
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e2) {
                System.err.println("关闭通道时发生异常！异常信息：" + e2.getMessage());
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }

    private void read() throws IOException {
        if (selectionKey.isValid()) {
            readBuffer.clear();
            int count = socketChannel.read(readBuffer); //read方法结束，意味着本次"读就绪"变为"读完毕"，标记着一次就绪事件的结束
            if (count > 0) {
                System.out.println(String.format("收到来自 %s 的消息: %s",
                        socketChannel.getRemoteAddress(),
                        new String(readBuffer.array())));
                status = SEND;
                selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //注册写方法
            } else {
                //读模式下拿到的值是-1，说明客户端已经断开连接，那么将对应的selectKey从selector里清除，否则下次还会select到，因为断开连接意味着读就绪不会变成读完毕，也不cancel，下次select会不停收到该事件
                //所以在这种场景下，（服务器程序）你需要关闭socketChannel并且取消key，最好是退出当前函数。注意，这个时候服务端要是继续使用该socketChannel进行读操作的话，就会抛出“远程主机强迫关闭一个现有的连接”的IO异常。
                selectionKey.cancel();
                socketChannel.close();
                System.out.println("read时-------连接关闭");
            }
        }
    }

    void send() throws IOException {
        if (selectionKey.isValid()) {
            sendBuffer.clear();
            sendBuffer.put(String.format("我收到来自%s的信息辣：%s,  200ok;",
                    socketChannel.getRemoteAddress(),
                    new String(readBuffer.array())).getBytes());
            sendBuffer.flip();
            int count = socketChannel.write(sendBuffer); //write方法结束，意味着本次写就绪变为写完毕，标记着一次事件的结束

            if (count < 0) {
                //同上，write场景下，取到-1，也意味着客户端断开连接
                selectionKey.cancel();
                socketChannel.close();
                System.out.println("send时-------连接关闭");
            }

            //没断开连接，则再次切换到读
            status = READ;
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
        }
    }
}

细节已标注。

关键模块已实现，下面来启动服务端：

new Thread(new Reactor(2333)).start();

三、客户端的编写

接下来同样利用selector编写客户端，客户端需要做的事情就是发送消息到服务端，等待服务端响应，然后再次发送消息，发够10条消息断开连接：

3.1：Client入口模块

public class NIOClient implements Runnable {

    private Selector selector;

    private SocketChannel socketChannel;

    NIOClient(String ip, int port) {
        try {
            selector = Selector.open(); //打开一个Selector
            socketChannel = SocketChannel.open();
            socketChannel.configureBlocking(false); //设置为非阻塞模式
            socketChannel.connect(new InetSocketAddress(ip, port)); //连接服务
            //入口，最初给一个客户端channel注册上去的事件都是连接事件
            SelectionKey sk = socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT);
            //附加处理类，第一次初始化放的是连接就绪处理类
            sk.attach(new Connector(socketChannel, selector));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (!Thread.interrupted()) {
                selector.select(); //就绪事件到达之前，阻塞
                Set selected = selector.selectedKeys(); //拿到本次select获取的就绪事件
                Iterator it = selected.iterator();
                while (it.hasNext()) {
                    //这里进行任务分发
                    dispatch((SelectionKey) (it.next()));
                }
                selected.clear();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    void dispatch(SelectionKey k) {
        Runnable r = (Runnable) (k.attachment()); //这里很关键，拿到每次selectKey里面附带的处理对象，然后调用其run，这个对象在具体的Handler里会进行创建，初始化的附带对象为Connector（看上面构造器）
        //调用之前注册的callback对象
        if (r != null) {
            r.run();
        }
    }
}

细节已标注。

3.2：Connector模块（建连）

public class Connector implements Runnable {

    private final Selector selector;

    private final SocketChannel socketChannel;

    Connector(SocketChannel socketChannel, Selector selector) {
        this.socketChannel = socketChannel;
        this.selector = selector;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            if (socketChannel.finishConnect()) { //这里连接完成（与服务端的三次握手完成）
                System.out.println(String.format("已完成 %s 的连接",
                        socketChannel.getRemoteAddress()));
                new Handler(socketChannel, selector); //连接建立完成后，接下来的动作交给Handler去处理（读写等）
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

细节已标注。

3.3：客户端Handler模块实现

public class Handler implements Runnable {

    private final SelectionKey selectionKey;
    private final SocketChannel socketChannel;

    private ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(2048);
    private ByteBuffer sendBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);

    private final static int READ = 0;
    private final static int SEND = 1;

    private int status = SEND; //与服务端不同，默认最开始是发送数据

    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger();

    Handler(SocketChannel socketChannel, Selector selector) throws IOException {
        this.socketChannel = socketChannel; //接收客户端连接
        this.socketChannel.configureBlocking(false); //置为非阻塞模式（selector仅允非阻塞模式）
        selectionKey = socketChannel.register(selector, 0); //将该客户端注册到selector，得到一个SelectionKey，以后的select到的就绪动作全都是由该对象进行封装
        selectionKey.attach(this); //附加处理对象，当前是Handler对象，run是对象处理业务的方法
        selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //走到这里，说明之前Connect已完成，那么接下来就是发送数据，因此这里首先将写事件标记为“感兴趣”事件
        selector.wakeup(); //唤起select阻塞
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            switch (status) {
                case SEND:
                    send();
                    break;
                case READ:
                    read();
                    break;
                default:
            }
        } catch (IOException e) { //这里的异常处理是做了汇总，同样的，客户端也面临着正在与服务端进行写/读数据时，突然因为网络等原因，服务端直接断掉连接，这个时候客户端需要关闭自己并退出程序
            System.err.println("send或read时发生异常！异常信息：" + e.getMessage());
            selectionKey.cancel();
            try {
                socketChannel.close();
            } catch (IOException e2) {
                System.err.println("关闭通道时发生异常！异常信息：" + e2.getMessage());
                e2.printStackTrace();
            }
        }
    }

    void send() throws IOException {
        if (selectionKey.isValid()) {
            sendBuffer.clear();
            int count = counter.incrementAndGet();
            if (count <= 10) {
                sendBuffer.put(String.format("客户端发送的第%s条消息", count).getBytes());
                sendBuffer.flip(); //切换到读模式，用于让通道读到buffer里的数据
                socketChannel.write(sendBuffer);

                //则再次切换到读，用以接收服务端的响应
                status = READ;
                selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
            } else {
                selectionKey.cancel();
                socketChannel.close();
            }
        }
    }

    private void read() throws IOException {
        if (selectionKey.isValid()) {
            readBuffer.clear(); //切换成buffer的写模式，用于让通道将自己的内容写入到buffer里
            socketChannel.read(readBuffer);
            System.out.println(String.format("收到来自服务端的消息: %s", new String(readBuffer.array())));

            //收到服务端的响应后，再继续往服务端发送数据
            status = SEND;
            selectionKey.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE); //注册写事件
        }
    }
}

细节已标注。

 

下面启动客户端去连接之前的服务端：

new Thread(new NIOClient("127.0.0.1", 2333)).start();
new Thread(new NIOClient("127.0.0.1", 2333)).start();

上面模拟了两个客户端同时连到服务端，运行结果如下：

服务端运行结果：

图2

 

客户端运行结果如下：

图3

单线程Reactor模型有个致命的缺点，通过上述例子可以看出，整个执行流程都是线性的，客户端请求→服务端读取→服务端响应→客户端收到响应→客户端再次发送请求，那么在这个链路中，如果handler中某个位置存在性能瓶颈，比如我们可以改造下服务端的send方法：

try {
   Thread.sleep(2000L); //响应2s
} catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
}

int count = socketChannel.write(sendBuffer);

在响应客户端之前睡眠2s，当做是性能瓶颈点，同样的再次开两个客户端同时访问服务端，每个客户端发送10条消息，会发现，程序直接运行了40s，这是大多数情况下不愿意看到的，因此，就有了多线程Reactor模式，跟BIO为了提高性能将读操作放到一个独立线程处理一样，Reactor这样做，也是为了解决上面提到的性能问题，只不过NIO比BIO做异步有个最大的优势就是NIO不会阻塞一个线程，类似read这种操作状态都是由selector负责监听的，不像BIO里都是阻塞的，只要被异步出去，那么一定是非阻塞的业务代码（除非是人为将代码搞成阻塞），而BIO由于read本身阻塞，因此会阻塞掉整个线程，这也是同样是异步为什么NIO可以更加高效的原因之一。

那么单线程Reactor适用于什么情况呢？适用于那种程序复杂度很低的系统，例如redis，其大部分操作都是非常高效的，很多命令的时间复杂度直接为O(1)，这种情况下适合这种简单的Reactor模型实现服务端。