nio框架中的多个Selector结构
2017-05-19 15:24
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随着并发数量的提高，传统nio框架采用一个Selector来支撑大量连接事件的管理和触发已经遇到瓶颈，因此现在各种nio框架的新版本都采用多个Selector并存的结构，由多个Selector均衡地去管理大量连接。这里以Mina和Grizzly的实现为例。
在Mina 2.0中，Selector的管理是由org.apache.mina.transport.socket.nio.NioProcessor来处理，每个NioProcessor对象保存一个Selector，负责具体的select、wakeup、channel的注册和取消、读写事件的注册和判断、实际的IO读写操作等等，核心代码如下：
public NioProcessor(Executor executor) {
super(executor);
try {
// Open a new selector
selector = Selector.open();
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeIoException("Failed to open a selector.", e);
}
}
protected int select(long timeout) throws Exception {
return selector.select(timeout);
}
protected boolean isInterestedInRead(NioSession session) {
SelectionKey key = session.getSelectionKey();
return key.isValid() && (key.interestOps() & SelectionKey.OP_READ) != 0;
}
protected boolean isInterestedInWrite(NioSession session) {
SelectionKey key = session.getSelectionKey();
return key.isValid() && (key.interestOps() & SelectionKey.OP_WRITE) != 0;
}
protected int read(NioSession session, IoBuffer buf) throws Exception {
return session.getChannel().read(buf.buf());
}
protected int write(NioSession session, IoBuffer buf, int length) throws Exception {
if (buf.remaining() <= length) {
return session.getChannel().write(buf.buf());
} else {
int oldLimit = buf.limit();
buf.limit(buf.position() + length);
try {
return session.getChannel().write(buf.buf());
} finally {
buf.limit(oldLimit);
}
}
}
这些方法的调用都是通过AbstractPollingIoProcessor来处理，这个类里可以看到一个nio框架的核心逻辑，注册、select、派发，具体因为与本文主题不合，不再展开。NioProcessor的初始化是在NioSocketAcceptor的构造方法中调用的：
public NioSocketAcceptor() {
super(new DefaultSocketSessionConfig(), NioProcessor.class);
((DefaultSocketSessionConfig) getSessionConfig()).init(this);
}
直接调用了父类AbstractPollingIoAcceptor的构造函数，在其中我们可以看到，默认是启动了一个SimpleIoProcessorPool来包装NioProcessor：
protected AbstractPollingIoAcceptor(IoSessionConfig sessionConfig,
Class<? extends IoProcessor<T>> processorClass) {
this(sessionConfig, null, new SimpleIoProcessorPool<T>(processorClass),
true);
}
这里其实是一个组合模式,SimpleIoProcessorPool和NioProcessor都实现了Processor接口，一个是组合形成的Processor池，而另一个是单独的类。调用的SimpleIoProcessorPool的构造函数是这样：
private static final int DEFAULT_SIZE = Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1;
public SimpleIoProcessorPool(Class<? extends IoProcessor<T>> processorType) {
this(processorType, null, DEFAULT_SIZE);
}
可以看到，默认的池大小是cpu个数+1，也就是创建了cpu+1个的Selector对象。它的重载构造函数里是创建了一个数组，启动一个CachedThreadPool来运行NioProcessor，通过反射创建具体的Processor对象，这里就不再列出了。
Mina当有一个新连接建立的时候，就创建一个NioSocketSession，并且传入上面的SimpleIoProcessorPool，当连接初始化的时候将Session加入SimpleIoProcessorPool：
protected NioSession accept(IoProcessor<NioSession> processor,
ServerSocketChannel handle) throws Exception {
SelectionKey key = handle.keyFor(selector);
if ((key == null) || (!key.isValid()) || (!key.isAcceptable()) ) {
return null;
}
// accept the connection from the client
SocketChannel ch = handle.accept();
if (ch == null) {
return null;
}
return new NioSocketSession(this, processor, ch);
}
private void processHandles(Iterator<H> handles) throws Exception {
while (handles.hasNext()) {
H handle = handles.next();
handles.remove();
// Associates a new created connection to a processor,
// and get back a session
T session = accept(processor, handle);
if (session == null) {
break;
}
initSession(session, null, null);
// add the session to the SocketIoProcessor
session.getProcessor().add(session);
}
}
加入的操作是递增一个整型变量并且模数组大小后对应的NioProcessor注册到session里：
private IoProcessor<T> nextProcessor() {
checkDisposal();
return pool[Math.abs(processorDistributor.getAndIncrement()) % pool.length];
}
if (p == null) {
p = nextProcessor();
IoProcessor<T> oldp =
(IoProcessor<T>) session.setAttributeIfAbsent(PROCESSOR, p);
if (oldp != null) {
p = oldp;
}
}
这样一来，每个连接都关联一个NioProcessor，也就是关联一个Selector对象，避免了所有连接共用一个Selector负载过高导致server响应变慢的后果。但是注意到NioSocketAcceptor也有一个Selector，这个Selector用来干什么的呢？那就是集中处理OP_ACCEPT事件的Selector，主要用于连接的接入，不跟处理读写事件的Selector混在一起，因此Mina的默认open的Selector是cpu+2个。
看完mina2.0之后，我们来看看Grizzly2.0是怎么处理的，Grizzly还是比较保守，它默认就是启动两个Selector，其中一个专门负责accept，另一个负责连接的IO读写事件的管理。Grizzly 2.0中Selector的管理是通过SelectorRunner类，这个类封装了Selector对象以及核心的分发注册逻辑，你可以将他理解成Mina中的NioProcessor，核心的代码如下：
protected boolean doSelect() {
selectorHandler = transport.getSelectorHandler();
selectionKeyHandler = transport.getSelectionKeyHandler();
strategy = transport.getStrategy();
try {
if (isResume) {
// If resume SelectorRunner - finish postponed keys
isResume = false;
if (keyReadyOps != 0) {
if (!iterateKeyEvents()) return false;
}
if (!iterateKeys()) return false;
}
lastSelectedKeysCount = 0;
selectorHandler.preSelect(this);
readyKeys = selectorHandler.select(this);
if (stateHolder.getState(false) == State.STOPPING) return false;
lastSelectedKeysCount = readyKeys.size();
if (lastSelectedKeysCount != 0) {
iterator = readyKeys.iterator();
if (!iterateKeys()) return false;
}
selectorHandler.postSelect(this);
} catch (ClosedSelectorException e) {
notifyConnectionException(key,
"Selector was unexpectedly closed", e,
Severity.TRANSPORT, Level.SEVERE, Level.FINE);
} catch (Exception e) {
notifyConnectionException(key,
"doSelect exception", e,
Severity.UNKNOWN, Level.SEVERE, Level.FINE);
} catch (Throwable t) {
logger.log(Level.SEVERE,"doSelect exception", t);
transport.notifyException(Severity.FATAL, t);
}
return true;
}
基本上是一个reactor实现的样子，在AbstractNIOTransport类维护了一个SelectorRunner的数组，而Grizzly用于创建tcp server的类TCPNIOTransport正是继承于AbstractNIOTransport类，在它的start方法中调用了startSelectorRunners来创建并启动SelectorRunner数组：
private static final int DEFAULT_SELECTOR_RUNNERS_COUNT = 2;
@Override
public void start() throws IOException {
if (selectorRunnersCount <= 0) {
selectorRunnersCount = DEFAULT_SELECTOR_RUNNERS_COUNT;
}
startSelectorRunners();
}
protected void startSelectorRunners() throws IOException {
selectorRunners = new SelectorRunner[selectorRunnersCount];
synchronized(selectorRunners) {
for (int i = 0; i < selectorRunnersCount; i++) {
SelectorRunner runner =
new SelectorRunner(this, SelectorFactory.instance().create());
runner.start();
selectorRunners[i] = runner;
}
}
}
可见Grizzly并没有采用一个单独的池对象来管理SelectorRunner，而是直接采用数组管理，默认数组大小是2。SelectorRunner实现了Runnable接口，它的start方法调用了一个线程池来运行自身。刚才我提到了说Grizzly的Accept是单独一个Selector来管理的，那么是如何表现的呢？答案在RoundRobinConnectionDistributor类，这个类是用于派发注册事件到相应的SelectorRunner上，它的派发方式是这样：
public Future<RegisterChannelResult> registerChannelAsync(
SelectableChannel channel, int interestOps, Object attachment,
CompletionHandler completionHandler)
throws IOException {
SelectorRunner runner = getSelectorRunner(interestOps);
return transport.getSelectorHandler().registerChannelAsync(
runner, channel, interestOps, attachment, completionHandler);
}
private SelectorRunner getSelectorRunner(int interestOps) {
SelectorRunner[] runners = getTransportSelectorRunners();
int index;
if (interestOps == SelectionKey.OP_ACCEPT || runners.length == 1) {
index = 0;
} else {
index = (counter.incrementAndGet() % (runners.length - 1)) + 1;
}
return runners[index];
}
getSelectorRunner这个方法道出了秘密，如果是OP_ACCEPT，那么都使用数组中的第一个SelectorRunner，如果不是，那么就通过取模运算的结果+1从后面的SelectorRunner中取一个来注册。
分析完mina2.0和grizzly2.0对Selector的管理后我们可以得到几个启示：
1、在处理大量连接的情况下，多个Selector比单个Selector好
2、多个Selector的情况下，处理OP_READ和OP_WRITE的Selector要与处理OP_ACCEPT的Selector分离，也就是说处理接入应该要一个单独的Selector对象来处理，避免IO读写事件影响接入速度。
3、Selector的数目问题，mina默认是cpu+2，而grizzly总共就2个，我更倾向于mina的策略，但是我认为应该对cpu个数做一个判断，如果CPU个数超过8个，那么更多的Selector线程可能带来比较大的线程切换的开销，mina默认的策略并非合适，幸好可以设置这个数值。
原文地址：http://click.aliyun.com/m/21432/
在Mina 2.0中，Selector的管理是由org.apache.mina.transport.socket.nio.NioProcessor来处理，每个NioProcessor对象保存一个Selector，负责具体的select、wakeup、channel的注册和取消、读写事件的注册和判断、实际的IO读写操作等等，核心代码如下：
public NioProcessor(Executor executor) {
super(executor);
try {
// Open a new selector
selector = Selector.open();
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeIoException("Failed to open a selector.", e);
}
}
protected int select(long timeout) throws Exception {
return selector.select(timeout);
}
protected boolean isInterestedInRead(NioSession session) {
SelectionKey key = session.getSelectionKey();
return key.isValid() && (key.interestOps() & SelectionKey.OP_READ) != 0;
}
protected boolean isInterestedInWrite(NioSession session) {
SelectionKey key = session.getSelectionKey();
return key.isValid() && (key.interestOps() & SelectionKey.OP_WRITE) != 0;
}
protected int read(NioSession session, IoBuffer buf) throws Exception {
return session.getChannel().read(buf.buf());
}
protected int write(NioSession session, IoBuffer buf, int length) throws Exception {
if (buf.remaining() <= length) {
return session.getChannel().write(buf.buf());
} else {
int oldLimit = buf.limit();
buf.limit(buf.position() + length);
try {
return session.getChannel().write(buf.buf());
} finally {
buf.limit(oldLimit);
}
}
}
这些方法的调用都是通过AbstractPollingIoProcessor来处理，这个类里可以看到一个nio框架的核心逻辑，注册、select、派发，具体因为与本文主题不合，不再展开。NioProcessor的初始化是在NioSocketAcceptor的构造方法中调用的：
public NioSocketAcceptor() {
super(new DefaultSocketSessionConfig(), NioProcessor.class);
((DefaultSocketSessionConfig) getSessionConfig()).init(this);
}
直接调用了父类AbstractPollingIoAcceptor的构造函数，在其中我们可以看到，默认是启动了一个SimpleIoProcessorPool来包装NioProcessor：
protected AbstractPollingIoAcceptor(IoSessionConfig sessionConfig,
Class<? extends IoProcessor<T>> processorClass) {
this(sessionConfig, null, new SimpleIoProcessorPool<T>(processorClass),
true);
}
这里其实是一个组合模式,SimpleIoProcessorPool和NioProcessor都实现了Processor接口，一个是组合形成的Processor池，而另一个是单独的类。调用的SimpleIoProcessorPool的构造函数是这样：
private static final int DEFAULT_SIZE = Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1;
public SimpleIoProcessorPool(Class<? extends IoProcessor<T>> processorType) {
this(processorType, null, DEFAULT_SIZE);
}
可以看到，默认的池大小是cpu个数+1，也就是创建了cpu+1个的Selector对象。它的重载构造函数里是创建了一个数组，启动一个CachedThreadPool来运行NioProcessor，通过反射创建具体的Processor对象，这里就不再列出了。
Mina当有一个新连接建立的时候，就创建一个NioSocketSession，并且传入上面的SimpleIoProcessorPool，当连接初始化的时候将Session加入SimpleIoProcessorPool：
protected NioSession accept(IoProcessor<NioSession> processor,
ServerSocketChannel handle) throws Exception {
SelectionKey key = handle.keyFor(selector);
if ((key == null) || (!key.isValid()) || (!key.isAcceptable()) ) {
return null;
}
// accept the connection from the client
SocketChannel ch = handle.accept();
if (ch == null) {
return null;
}
return new NioSocketSession(this, processor, ch);
}
private void processHandles(Iterator<H> handles) throws Exception {
while (handles.hasNext()) {
H handle = handles.next();
handles.remove();
// Associates a new created connection to a processor,
// and get back a session
T session = accept(processor, handle);
if (session == null) {
break;
}
initSession(session, null, null);
// add the session to the SocketIoProcessor
session.getProcessor().add(session);
}
}
加入的操作是递增一个整型变量并且模数组大小后对应的NioProcessor注册到session里：
private IoProcessor<T> nextProcessor() {
checkDisposal();
return pool[Math.abs(processorDistributor.getAndIncrement()) % pool.length];
}
if (p == null) {
p = nextProcessor();
IoProcessor<T> oldp =
(IoProcessor<T>) session.setAttributeIfAbsent(PROCESSOR, p);
if (oldp != null) {
p = oldp;
}
}
这样一来，每个连接都关联一个NioProcessor，也就是关联一个Selector对象，避免了所有连接共用一个Selector负载过高导致server响应变慢的后果。但是注意到NioSocketAcceptor也有一个Selector，这个Selector用来干什么的呢？那就是集中处理OP_ACCEPT事件的Selector，主要用于连接的接入，不跟处理读写事件的Selector混在一起，因此Mina的默认open的Selector是cpu+2个。
看完mina2.0之后，我们来看看Grizzly2.0是怎么处理的，Grizzly还是比较保守，它默认就是启动两个Selector，其中一个专门负责accept，另一个负责连接的IO读写事件的管理。Grizzly 2.0中Selector的管理是通过SelectorRunner类，这个类封装了Selector对象以及核心的分发注册逻辑，你可以将他理解成Mina中的NioProcessor，核心的代码如下：
protected boolean doSelect() {
selectorHandler = transport.getSelectorHandler();
selectionKeyHandler = transport.getSelectionKeyHandler();
strategy = transport.getStrategy();
try {
if (isResume) {
// If resume SelectorRunner - finish postponed keys
isResume = false;
if (keyReadyOps != 0) {
if (!iterateKeyEvents()) return false;
}
if (!iterateKeys()) return false;
}
lastSelectedKeysCount = 0;
selectorHandler.preSelect(this);
readyKeys = selectorHandler.select(this);
if (stateHolder.getState(false) == State.STOPPING) return false;
lastSelectedKeysCount = readyKeys.size();
if (lastSelectedKeysCount != 0) {
iterator = readyKeys.iterator();
if (!iterateKeys()) return false;
}
selectorHandler.postSelect(this);
} catch (ClosedSelectorException e) {
notifyConnectionException(key,
"Selector was unexpectedly closed", e,
Severity.TRANSPORT, Level.SEVERE, Level.FINE);
} catch (Exception e) {
notifyConnectionException(key,
"doSelect exception", e,
Severity.UNKNOWN, Level.SEVERE, Level.FINE);
} catch (Throwable t) {
logger.log(Level.SEVERE,"doSelect exception", t);
transport.notifyException(Severity.FATAL, t);
}
return true;
}
基本上是一个reactor实现的样子，在AbstractNIOTransport类维护了一个SelectorRunner的数组，而Grizzly用于创建tcp server的类TCPNIOTransport正是继承于AbstractNIOTransport类，在它的start方法中调用了startSelectorRunners来创建并启动SelectorRunner数组：
private static final int DEFAULT_SELECTOR_RUNNERS_COUNT = 2;
@Override
public void start() throws IOException {
if (selectorRunnersCount <= 0) {
selectorRunnersCount = DEFAULT_SELECTOR_RUNNERS_COUNT;
}
startSelectorRunners();
}
protected void startSelectorRunners() throws IOException {
selectorRunners = new SelectorRunner[selectorRunnersCount];
synchronized(selectorRunners) {
for (int i = 0; i < selectorRunnersCount; i++) {
SelectorRunner runner =
new SelectorRunner(this, SelectorFactory.instance().create());
runner.start();
selectorRunners[i] = runner;
}
}
}
可见Grizzly并没有采用一个单独的池对象来管理SelectorRunner，而是直接采用数组管理，默认数组大小是2。SelectorRunner实现了Runnable接口，它的start方法调用了一个线程池来运行自身。刚才我提到了说Grizzly的Accept是单独一个Selector来管理的，那么是如何表现的呢？答案在RoundRobinConnectionDistributor类，这个类是用于派发注册事件到相应的SelectorRunner上，它的派发方式是这样：
public Future<RegisterChannelResult> registerChannelAsync(
SelectableChannel channel, int interestOps, Object attachment,
CompletionHandler completionHandler)
throws IOException {
SelectorRunner runner = getSelectorRunner(interestOps);
return transport.getSelectorHandler().registerChannelAsync(
runner, channel, interestOps, attachment, completionHandler);
}
private SelectorRunner getSelectorRunner(int interestOps) {
SelectorRunner[] runners = getTransportSelectorRunners();
int index;
if (interestOps == SelectionKey.OP_ACCEPT || runners.length == 1) {
index = 0;
} else {
index = (counter.incrementAndGet() % (runners.length - 1)) + 1;
}
return runners[index];
}
getSelectorRunner这个方法道出了秘密，如果是OP_ACCEPT，那么都使用数组中的第一个SelectorRunner，如果不是，那么就通过取模运算的结果+1从后面的SelectorRunner中取一个来注册。
分析完mina2.0和grizzly2.0对Selector的管理后我们可以得到几个启示：
1、在处理大量连接的情况下，多个Selector比单个Selector好
2、多个Selector的情况下，处理OP_READ和OP_WRITE的Selector要与处理OP_ACCEPT的Selector分离，也就是说处理接入应该要一个单独的Selector对象来处理，避免IO读写事件影响接入速度。
3、Selector的数目问题，mina默认是cpu+2，而grizzly总共就2个，我更倾向于mina的策略，但是我认为应该对cpu个数做一个判断，如果CPU个数超过8个，那么更多的Selector线程可能带来比较大的线程切换的开销，mina默认的策略并非合适，幸好可以设置这个数值。
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