IO API的可伸縮性對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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(shí)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(shí)，write()方法調(diào)用才會(huì)返回。倘若發(fā)送緩沖區(qū)已滿且連接速度很低，這個(gè)調(diào)用可能需要一段時(shí)間才能完成。如果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()的準(zhǔn)備也一樣。為了解決這個(gè)問題，你必須把每一個(gè)Socket和一個(gè)線程關(guān)聯(lián)起來；采用這種方法之后，當(dāng)
一個(gè)線程由于I/O相關(guān)的任務(wù)被阻塞時(shí)，另一個(gè)線程仍舊能夠運(yùn)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(tái)，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(gè)線程都要占用一定數(shù)量的內(nèi)存，而且除此之外，多個(gè)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(gè)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(gè)目標(biāo)終于實(shí)現(xiàn)了。
本文分析和比較了用新、舊兩種I/O API編寫的簡(jiǎn)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(jiǎn)單的目的，因此這里介紹的例子只包含關(guān)鍵的功能，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(gè)實(shí)現(xiàn)只使用了一個(gè)類。main()方法首先創(chuàng)建了一個(gè)綁定到8080端口的ServerSocket：
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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(duì)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(gè)實(shí)
例都有一個(gè)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(dòng)服務(wù)器。此舉導(dǎo)致對(duì)run()方法的一次異步調(diào)用，而
run()方法包含一個(gè)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(gè)Socket對(duì)象。每一個(gè)Socket關(guān)聯(lián)著一個(gè)InputStream和一個(gè)
OutputStream，兩者都要在后繼的handleRequest()方法調(diào)用中用到。這個(gè)方法將讀取客戶程序的請(qǐng)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。如果客戶程序的請(qǐng)求合法，通過sendFile()方法返回客戶程序請(qǐng)求的文件；否則，客戶程序?qū)⑹盏较鄳?yīng)的錯(cuò)誤信息（調(diào)用
sendError()）方法。
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while (true) {
...
socket = serverSocket.accept();
...
handleRequest();
...
socket.close();
} |
現(xiàn)在我們來分析一下這個(gè)實(shí)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(qǐng)求分析過程還可以進(jìn)一步優(yōu)化，因?yàn)樵谛阅芊矫?
StringTokenizer的聲譽(yù)一直不佳。但這個(gè)程序至少已經(jīng)關(guān)閉了TCP延遲（對(duì)于短暫的連接來說它很不合適），同時(shí)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(dú)立。新的連接請(qǐng)求由哪一個(gè)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(duì)象之外，各個(gè)線程之間不共享可能需要同步的任何其他資源。這個(gè)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(gè)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(diǎn)，而且它需要各個(gè)線程的協(xié)作。它包含下面四個(gè)類：
·NIOHttpd
·Acceptor
·Connection
·ConnectionSelector
NIOHttpd的主要任務(wù)是啟動(dòng)服務(wù)器。就象前面的Httpd一樣，一個(gè)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(gè)管道（Channel）。然后，main()方法實(shí)例化了一個(gè)ConnectionSelector和一個(gè)
Acceptor。這樣，每一個(gè)ConnectionSelector都可以用一個(gè)Acceptor注冊(cè)；另外，實(shí)例化Acceptor時(shí)還提供了
ServerSocketChannel。
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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(gè)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(qǐng)求，并通過
ConnectionSelector注冊(cè)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(gè)循環(huán)中，一個(gè)阻塞性的accept()方法被調(diào)用，它最終將返回一個(gè)Socket對(duì)象——這個(gè)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(duì)象為參數(shù)創(chuàng)建一個(gè)Connection對(duì)象，并通過ConnectionSelector的queue()方法注
冊(cè)它。
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while (true) {
...
socketChannel = serverSocketChannel.accept();
connectionSelector.queue(new Connection(socketChannel));
...
} |
總而言之：Acceptor只能在一個(gè)無限循環(huán)中接受連接請(qǐng)求和通過ConnectionSelector注冊(cè)連接。與Acceptor一
樣，ConnectionSelector也是一個(gè)線程。在構(gòu)造函數(shù)中，它構(gòu)造了一個(gè)隊(duì)列，并用Selector.open()方法打開了一個(gè)
java.nio.channels.Selector。Selector是整個(gè)服務(wù)器中最重要的部分之一，它使得程序能夠注冊(cè)連接，能夠獲取已經(jīng)允許讀
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(gè)循環(huán)中，程序調(diào)用了Selector的select()方法。這個(gè)方法一直阻塞，直到已經(jīng)注冊(cè)的連接之一做好了I/O操作的準(zhǔn)備，或Selector的wakeup()方法被調(diào)用。
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while (true) {
...
int i = selector.select();
registerQueuedConnections();
...
// 處理連接...
} |
當(dāng)ConnectionSelector線程執(zhí)行select()時(shí)，沒有一個(gè)Acceptor線程能夠用該Selector注冊(cè)連接，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的方法是同步方法，理解這一點(diǎn)是很重要的。因此這里使用了隊(duì)列，必要時(shí)Acceptor線程向隊(duì)列加入連接。
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public void queue(Connection connection) {
synchronized (queue) {
queue.add(connection);
}
selector.wakeup();
} |
緊接著把連接放入隊(duì)列的操作，Acceptor調(diào)用Selector的wakeup()方法。這個(gè)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(duì)列注冊(cè)連接。在
registerQueuedConnections()方法中，其實(shí)施過程如下：
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if (!queue.isEmpty()) {
synchronized (queue) {
while (!queue.isEmpty()) {
Connection connection =
(Connection)queue.remove(queue.size()-1);
connection.register(selector);
}
}
} |