Getty – Java NIO 框架设计与实现

2022-01-19 22:44:57

前言

Getty是我为了学习 Java NIO 所写的一个 NIO 框架，实现过程中参考了 Netty 的设计，同时使用 Groovy 来实现。虽然只是玩具，但是麻雀虽小，五脏俱全，在实现过程中，不仅熟悉了 NIO 的使用，还借鉴了很多 Netty 的设计思想，提升了自己的编码和设计能力。

至于为什么用 Groovy 来写，因为我刚学了 Groovy，正好拿来练手，加上 Groovy 是兼容 Java 的，所以只是语法上的差别，底层实现还是基于 Java API的。

Getty 的核心代码行数不超过 500 行，一方面得益于 Groovy 简洁的语法，另一方面是因为我只实现了核心的逻辑，最复杂的其实是解码器实现。脚手架容易搭，摩天大楼哪有那么容易盖，但用来学习 NIO 足以。

线程模型

Getty 使用的是 Reactor 多线程模型

Getty – Java NIO 框架设计与实现

  1. 有专门一个 NIO 线程- Acceptor 线程用于监听服务端，接收客户端的 TCP 连接请求，然后将连接分配给工作线程，由工作线程来监听读写事件。
  2. 网络 IO 操作-读/写等由多个工作线程负责，由这些工作线程负责消息的读取、解码、编码和发送。
  3. 1 个工作线程可以同时处理N条链路，但是 1 个链路只对应 1 个工作线程，防止发生并发操作问题。

事件驱动模型

整个服务端的流程处理，建立于事件机制上。在 [接受连接－＞读－＞业务处理－＞写 －＞关闭连接 ]这个过程中，触发器将触发相应事件，由事件处理器对相应事件分别响应，完成服务器端的业务处理。

事件定义

  1. onRead：当客户端发来数据，并已被工作线程正确读取时，触发该事件 。该事件通知各事件处理器可以对客户端发来的数据进行实际处理了。
  2. onWrite：当客户端可以开始接受服务端发送数据时触发该事件，通过该事件，我们可以向客户端发送响应数据。（当前的实现中并未使用写事件）
  3. onClosed：当客户端与服务器断开连接时触发该事件。

事件回调机制的实现

在这个模型中，事件采用广播方式，也就是所有注册的事件处理器都能获得事件通知。这样可以将不同性质的业务处理，分别用不同的处理器实现，使每个处理器的功能尽可能单一。

如下图：整个事件模型由监听器、事件适配器、事件触发器（HandlerChain，PipeLine）、事件处理器组成。

Getty – Java NIO 框架设计与实现

  • ServerListener：这是一个事件接口，定义需监听的服务器事件 
    interface ServerListener extends Serializable{
    /**
     * 可读事件回调
     * @param request
     */
    void onRead(ctx)
    /**
     * 可写事件回调
     * @param request
     * @param response
     */
    void onWrite(ctx)
    /**
     * 连接关闭回调
     * @param request
     */
    void onClosed(ctx)
}
  • EventAdapter：对 Serverlistener 接口实现一个适配器 (EventAdapter)，这样的好处是最终的事件处理器可以只处理所关心的事件。 
    class EventAdapter implements ServerListener {
    //下个处理器的引用
    protected next
    void onRead(Object ctx) {
    }
    void onWrite(Object ctx) {
    }
    void onClosed(Object ctx) {
    }
}
  • Notifier：用于在适当的时候通过触发服务器事件，通知在册的事件处理器对事件做出响应。 
    interface Notifier extends Serializable{
    /**
     * 触发所有可读事件回调
     */
    void fireOnRead(ctx)
    /**
     * 触发所有可写事件回调
     */
    void fireOnWrite(ctx)
    /**
     * 触发所有连接关闭事件回调
     */
    void fireOnClosed(ctx)
}
  • HandlerChain：实现了Notifier接口，维持有序的事件处理器链条，每次从第一个处理器开始触发。 
    class HandlerChain implements Notifier{
    EventAdapter head
    EventAdapter tail
    /**
     * 添加处理器到执行链的最后
     * @param handler
     */
    void addLast(handler) {
        if (tail != null) {
            tail.next = handler
            tail = tail.next
        } else {
            head = handler
            tail = head
        }
    }
    void fireOnRead(ctx) {
        head.onRead(ctx)
    }
    void fireOnWrite(ctx) {
        head.onWrite(ctx)
    }
    void fireOnClosed(ctx) {
        head.onClosed(ctx)
    }
}
  • PipeLine：实现了Notifier接口，作为事件总线，维持一个事件链的列表。 
    class PipeLine implements Notifier{
    static logger = LoggerFactory.getLogger(PipeLine.name)
    //监听器队列
    def listOfChain = []
    PipeLine(){}
    /**
     * 添加监听器到监听队列中
     * @param chain
     */
    void addChain(chain) {
        synchronized (listOfChain) {
            if (!listOfChain.contains(chain)) {
                listOfChain.add(chain)
            }
        }
    }
    /**
     * 触发所有可读事件回调
     */
    void fireOnRead(ctx) {
        logger.debug("fireOnRead")
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnRead(ctx)
        }
    }
    /**
     * 触发所有可写事件回调
     */
    void fireOnWrite(ctx) {
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnWrite(ctx)
        }
    }
    /**
     * 触发所有连接关闭事件回调
     */
    void fireOnClosed(ctx) {
        listOfChain.each { chain ->
            chain.fireOnClosed(ctx)
        }
    }
}

事件处理流程

Getty – Java NIO 框架设计与实现

编程模型

事件处理采用职责链模式，每个处理器处理完数据之后会决定是否继续执行下一个处理器。如果处理器不将任务交给线程池处理，那么整个处理流程都在同一个线程中处理。而且每个连接都有单独的PipeLine，工作线程可以在多个连接上下文切换，但是一个连接上下文只会被一个线程处理。

核心类

ConnectionCtx

连接上下文ConnectionCtx

class ConnectionCtx {
    /**socket连接*/
    SocketChannel channel
    /**用于携带额外参数*/
    Object attachment
    /**处理当前连接的工作线程*/
    Worker worker
    /**连接超时时间*/
    Long timeout
    /**每个连接拥有自己的pipeline*/
    PipeLine pipeLine
}

NioServer

主线程负责监听端口，持有工作线程的引用（使用轮转法分配连接），每次有连接到来时，将连接放入工作线程的连接队列，并唤醒线程selector.wakeup()（线程可能阻塞在selector上）。

class NioServer extends Thread {
    /**服务端的套接字通道*/
    ServerSocketChannel ssc
    /**选择器*/
    Selector selector
    /**事件总线*/
    PipeLine pipeLine
    /**工作线程列表*/
    def workers = []
    /**当前工作线程索引*/
    int index
}

Worker

工作线程，负责注册server传递过来的socket连接。主要监听读事件，管理socket，处理写操作。

class Worker extends Thread {
    /**选择器*/
    Selector selector
    /**读缓冲区*/
    ByteBuffer buffer
    /**主线程分配的连接队列*/
    def queue = []
    /**存储按超时时间从小到大的连接*/
    TreeMap<Long, ConnectionCtx> ctxTreeMap

    void run() {
        while (true) {
            selector.select()
            //注册主线程发送过来的连接
            registerCtx()
            //关闭超时的连接
            closeTimeoutCtx()
            //处理事件
            dispatchEvent()
        }
    }
}

运行一个简单的 Web 服务器

我实现了一系列处理HTTP请求的处理器，具体实现看代码。

  • LineBasedDecoder：行解码器，按行解析数据
  • HttpRequestDecoder：HTTP请求解析，目前只支持GET请求
  • HttpRequestHandler：Http 请求处理器，目前只支持GET方法
  • HttpResponseHandler：Http响应处理器

下面是写在test中的例子

class WebServerTest {
    static void main(args) {
        def pipeLine = new PipeLine()

        def readChain = new HandlerChain()
        readChain.addLast(new LineBasedDecoder())
        readChain.addLast(new HttpRequestDecoder())
        readChain.addLast(new HttpRequestHandler())
        readChain.addLast(new HttpResponseHandler())

        def closeChain = new HandlerChain()
        closeChain.addLast(new ClosedHandler())

        pipeLine.addChain(readChain)
        pipeLine.addChain(closeChain)

        NioServer nioServer = new NioServer(pipeLine)
        nioServer.start()
    }
}

另外，还可以使用配置文件getty.properties设置程序的运行参数。

#用于拼接消息时使用的二进制数组的缓存区
common_buffer_size=1024
#工作线程读取tcp数据的缓存大小
worker_rcv_buffer_size=1024
#监听的端口
port=4399
#工作线程的数量
worker_num=1
#连接超时自动断开时间
timeout=900
#根目录
root=.

总结

Getty是我造的第二个小*，第一个是RedisHttpSession。都说不要重复造*。这话我是认同的，但是掌握一门技术最好的方法就是实践，在没有合适项目可以使用新技术的时候，造一个简单的*是不错的实践手段。

Getty 的缺点或者说还可以优化的点：

  1. 线程的使用直接用了Thread类，看起来有点low。等以后水平提升了再来抽象一下。
  2. 目前只有读事件是异步的，写事件是同步的。未来将写事件也改为异步的。
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