Java I/O API之性能分析 (上)

答案：IO API的可伸缩性对Web应用有着极其重要的意义。Java 1.4版以前的API中，阻塞I/O令许多人失望。从J2SE 1.4版本开始，Java终于有了可伸缩的I/O API。本文分析并计算了新旧I/O API在可伸缩性方面的差异。 

　　一、概述 

　　IO API的可伸缩性对Web应用有着极其重要的意义。Java 1.4版以前的API中，阻塞I/O令许多人失望。从J2SE 1.4版本开始，Java终于有了可伸缩的I/O API。本文分析并计算了新旧IO API在可伸缩性方面的差异。Java向Socket写入数据时必须调用关联的OutputStream的write()方法。只有当所有的数据全部写入时，write()方法调用才会返回。倘若发送缓冲区已满且连接速度很低，这个调用可能需要一段时间才能完成。如果程序只使用单一的线程，其他连接就必须等待，即使那些连接已经做好了调用write()的准备也一样。为了解决这个问题，你必须把每一个Socket和一个线程关联起来；采用这种方法之后，当一个线程由于I/O相关的任务被阻塞时，另一个线程仍旧能够运行。 

　　尽管线程的开销不如进程那么大，但是，考虑到底层的操作平台，线程和进程都属于消耗大量资源的程序结构。每一个线程都要占用一定数量的内存，而且除此之外，多个线程还意味着线程上下文的切换，而这种切换也需要昂贵的资源开销。因此，Java需要一个新的API来分离Socket与线程之间过于紧密的联系。在新的Java I/O API（java.nio.*）中，这个目标终于实现了。 

　　本文分析和比较了用新、旧两种I/O API编写的简单Web服务器。由于作为Web协议的HTTP不再象原来那样只用于一些简单的目的，因此这里介绍的例子只包含关键的功能，或者说，它们既不考虑安全因素，也不严格遵从协议规范。 

　　二、用旧API编写的HTTP服务器 

　　首先我们来看看用旧式API编写的HTTP服务器。这个实现只使用了一个类。main()方法首先创建了一个绑定到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);
　　} 
　　} 


　　接下来，main()方法创建了一系列的Httpd对象，并用共享的ServerSocket初始化它们。在Httpd的构造函数中，我们保证每一个实例都有一个有意义的名字，设置默认协议，然后通过调用其超类Thread的start()方法启动服务器。此举导致对run()方法的一次异步调用，而 run()方法包含一个无限循环。 

　　在run()方法的无限循环中，ServerSocket的阻塞性accpet()方法被调用。当客户程序连接服务器的8080端口，accept ()方法将返回一个Socket对象。每一个Socket关联着一个InputStream和一个OutputStream，两者都要在后继的 handleRequest()方法调用中用到。这个方法将读取客户程序的请求，经过检查和处理，然后把合适的应答发送给客户程序。如果客户程序的请求合法，通过sendFile()方法返回客户程序请求的文件；否则，客户程序将收到相应的错误信息（调用sendError()）方法。 


　　while (true) {
　　...
　　socket = serverSocket.accept();
　　...
　　handleRequest();
　　...
　　socket.close();
　　} 


　　现在我们来分析一下这个实现。它能够出色地完成任务吗？答案基本上是肯定的。当然，请求分析过程还可以进一步优化，因为在性能方面 StringTokenizer的声誉一直不佳。但这个程序至少已经关闭了TCP延迟（对于短暂的连接来说它很不合适），同时为外发的文件设置了缓冲。而且更重要的是，所有的线程操作都相互独立。新的连接请求由哪一个线程处理由本机的（因而也是速度较快的）accept()方法决定。除了 ServerSocket对象之外，各个线程之间不共享可能需要同步的任何其他资源。这个方案速度较快，但令人遗憾的是，它不具有很好的可伸缩性，其原因就在于，很显然地，线程是一种有限的资源。 

　　三、非阻塞的HTTP服务器 

　　下面我们来看看另一个使用非阻塞的新I/O API的方案。新的方案要比原来的方案稍微复杂一点，而且它需要各个线程的协作。它包含下面四个类： 

　　·NIOHttpd
　　·Acceptor
　　·Connection
　　·ConnectionSelector 

　NIOHttpd的主要任务是启动服务器。就象前面的Httpd一样，一个服务器Socket被绑定到8080端口。两者主要的区别在于，新版本的服务器使用java.nio.channels.ServerSocketChannel而不是ServerSocket。在利用bind()方法显式地把 Socket绑定到端口之前，必须先打开一个管道（Channel）。然后，main()方法实例化了一个ConnectionSelector和一个 Acceptor。这样，每一个ConnectionSelector都可以用一个Acceptor注册；另外，实例化Acceptor时还提供了 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);
　　} 


　　为了理解这两个线程之间的交互过程，首先我们来仔细地分析一下Acceptor。Acceptor的主要任务是接受传入的连接请求，并通过 ConnectionSelector注册它们。Acceptor的构造函数调用了超类的start()方法；run()方法包含了必需的无限循环。在这个循环中，一个阻塞性的accept()方法被调用，它最终将返回一个Socket对象——这个过程几乎与Httpd的处理过程一样，但这里使用的是 ServerSocketChannel的accept()方法，而不是ServerSocket的accept()方法。最后，以调用accept() 方法获得的socketChannel对象为参数创建一个Connection对象，并通过ConnectionSelector的queue()方法注册它。 


　　while (true) {
　　...
　　socketChannel = serverSocketChannel.accept();
　　connectionSelector.queue(new Connection(socketChannel));
　　...
　　} 


　　总而言之：Acceptor只能在一个无限循环中接受连接请求和通过ConnectionSelector注册连接。与Acceptor一样， ConnectionSelector也是一个线程。在构造函数中，它构造了一个队列，并用Selector.open()方法打开了一个 java.nio.channels.Selector。Selector是整个服务器中最重要的部分之一，它使得程序能够注册连接，能够获取已经允许读取和写入操作的连接的清单。 

　　构造函数调用start()方法之后，run()方法里面的无限循环开始执行。在这个循环中，程序调用了Selector的select()方法。这个方法一直阻塞，直到已经注册的连接之一做好了I/O操作的准备，或Selector的wakeup()方法被调用。 


　　while (true) {
　　...
　　int i = selector.select();
　　registerQueuedConnections();
　　...
　　// 处理连接...
　　} 

　　当ConnectionSelector线程执行select()时，没有一个Acceptor线程能够用该Selector注册连接，因为对应的方法是同步方法，理解这一点是很重要的。因此这里使用了队列，必要时Acceptor线程向队列加入连接。 


　　public void queue(Connection connection) {
　　synchronized (queue) {
　　queue.add(connection);
　　}
　　selector.wakeup();
　　} 


　　紧接着把连接放入队列的操作，Acceptor调用Selector的wakeup()方法。这个调用导致ConnectionSelector线程继续执行，从正在被阻塞的select()调用返回。由于Selector不再被阻塞，ConnectionSelector现在能够从队列注册连接。在 registerQueuedConnections()方法中，其实施过程如下： 


　　if (!queue.isEmpty()) {
　　synchronized (queue) {
　　while (!queue.isEmpty()) {
　　Connection connection =
　　(Connection)queue.remove(queue.size()-1);
　　connection.register(selector);
　　}
　　} 
　　} 

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