IO API的可伸縮性對Web應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終於有了可伸縮的I/O API。本文分析並計算了新舊I/O API在可伸縮性方面的差異。
一、概述
IO API的可伸縮性對Web應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終於有了可伸縮的I/O API。本文分析並計算了新舊IO API在可伸縮性方面的差異。Java向Socket寫入數據時必須調用關聯的OutputStream的write()方法。只有當所有的數據全部寫入時，write()方法調用才會返回。倘若發送緩沖區已滿且連接速度很低，這個調用可能需要一段時間才能完成。如果程序只使用單一的線程，其他連接就必須等待，即使那些連接已經做好了調用write()的准備也一樣。為了解決這個問題，你必須把每一個Socket和一個線程關聯起來；采用這種方法之後，當一個線程由於I/O相關的任務被阻塞時，另一個線程仍舊能夠運行。
盡管線程的開銷不如進程那麼大，但是，考慮到底層的操作平台，線程和進程都屬於消耗大量資源的程序結構。每一個線程都要占用一定數量的內存，而且除此之外，多個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需要一個新的API來分離Socket與線程之間過於緊密的聯系。在新的Java I/O API（Java.nio.*）中，這個目標終於實現了。
本文分析和比較了用新、舊兩種I/O API編寫的簡單Web服務器。由於作為Web協議的HTTP不再象原來那樣只用於一些簡單的目的，因此這裡介紹的例子只包含關鍵的功能，或者說，它們既不考慮安全因素，也不嚴格遵從協議規范。
二、用舊API編寫的HTTP服務器
首先我們來看看用舊式API編寫的HTTP服務器。這個實現只使用了一個類。main()方法首先創建了一個綁定到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);
}
}
接下來，main()方法創建了一系列的Httpd對象，並用共享的ServerSocket初始化它們。在Httpd的構造函數中，我們保證每一個實例都有一個有意義的名字，設置默認協議，然後通過調用其超類Thread的start()方法啟動服務器。此舉導致對run()方法的一次異步調用，而run()方法包含一個無限循環。
在run()方法的無限循環中，ServerSocket的阻塞性accpet()方法被調用。當客戶程序連接服務器的8080端口，accept()方法將返回一個Socket對象。每一個Socket關聯著一個InputStream和一個OutputStream，兩者都要在後繼的handleRequest()方法調用中用到。這個方法將讀取客戶程序的請求，經過檢查和處理，然後把合適的應答發送給客戶程序。如果客戶程序的請求合法，通過sendFile()方法返回客戶程序請求的文件；否則，客戶程序將收到相應的錯誤信息（調用sendError()）方法。
while (true) {
...
socket = serverSocket.accept();
...
handleRequest();
...
socket.close();
}
現在我們來分析一下這個實現。它能夠出色地完成任務嗎？答案基本上是肯定的。當然，請求分析過程還可以進一步優化，因為在性能方面StringTokenizer的聲譽一直不佳。但這個程序至少已經關閉了TCP延遲（對於短暫的連接來說它很不合適），同時為外發的文件設置了緩沖。而且更重要的是，所有的線程操作都相互獨立。新的連接請求由哪一個線程處理由本機的（因而也是速度較快的）accept()方法決定。除了ServerSocket對象之外，各個線程之間不共享可能需要同步的任何其他資源。這個方案速度較快，但令人遺憾的是，它不具有很好的可伸縮性，其原因就在於，很顯然地，線程是一種有限的資源。
三、非阻塞的HTTP服務器
下面我們來看看另一個使用非阻塞的新I/O API的方案。新的方案要比原來的方案稍微復雜一點，而且它需要各個線程的協作。它包含下面四個類：
NIOHttpd
Acceptor
Connection
ConnectionSelector
NIOHttpd的主要任務是啟動服務器。就象前面的Httpd一樣，一個服務器Socket被綁定到8080端口。兩者主要的區別在於，新版本的服務器使用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，必須先打開一個管道（Channel）。然後，main()方法實例化了一個ConnectionSelector和一個Acceptor。這樣，每一個ConnectionSelector都可以用一個Acceptor注冊；另外，實例化Acceptor時還提供了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);
}
為了理解這兩個線程之間的交互過程，首先我們來仔細地分析一下Acceptor。Acceptor的主要任務是接受傳入的連接請求，並通過ConnectionSelector注冊它們。Acceptor的構造函數調用了超類的start()方法；run()方法包含了必需的無限循環。在這個循環中，一個阻塞性的accept()方法被調用，它最終將返回一個Socket對象——這個過程幾乎與Httpd的處理過程一樣，但這裡使用的是ServerSocketChannel的accept()方法，而不是ServerSocket的accept()方法。最後，以調用accept()方法獲得的socketChannel對象為參數創建一個Connection對象，並通過ConnectionSelector的queue()方法注冊它。
while (true) {
...
socketChannel = serverSocketChannel.accept();
connectionSelector.queue(new Connection(socketChannel));
...
}
總而言之：Acceptor只能在一個無限循環中接受連接請求和通過ConnectionSelector注冊連接。與Acceptor一樣，ConnectionSelector也是一個線程。在構造函數中，它構造了一個隊列，並用Selector.open()方法打開了一個Java.nio.channels.Selector。Selector是整個服務器中最重要的部分之一，它使得程序能夠注冊連接，能夠獲取已經允許讀取和寫入操作的連接的清單。
構造函數調用start()方法之後，run()方法裡面的無限循環開始執行。在這個循環中，程序調用了Selector的select()方法。這個方法一直阻塞，直到已經注冊的連接之一做好了I/O操作的准備，或Selector的wakeup()方法被調用。
while (true) {
...
int i = selector.select();
registerQueuedConnections();
...
// 處理連接...
}
當ConnectionSelector線程執行select()時，沒有一個Acceptor線程能夠用該Selector注冊連接，因為對應的方法是同步方法，理解這一點是很重要的。因此這裡使用了隊列，必要時Acceptor線程向隊列加入連接。
public void queue(Connection connection) {
synchronized (queue) {
queue.add(connection);
}
selector.wakeup();
}
緊接著把連接放入隊列的操作，Acceptor調用Selector的wakeup()方法。這個調用導致ConnectionSelector線程繼續執行，從正在被阻塞的select()調用返回。由於Selector不再被阻塞，ConnectionSelector現在能夠從隊列注冊連接。在registerQueuedConnections()方法中，其實施過程如下：
if (!queue.isEmpty()) {
synchronized (queue) {
while (!queue.isEmpty()) {
Connection connection =
(Connection)queue.remove(queue.size()-1);
connection.register(selector);
}
}
}
