我在前面的专栏里介绍了Jetty的总体架构设计,简单回顾一下,Jetty总体上是由一系列Connector、一系列Handler和一个ThreadPool组成,它们的关系如下图所示:

相比较Tomcat的连接器,Jetty的Connector在设计上有自己的特点。Jetty的Connector支持NIO通信模型,我们知道NIO模型中的主角就是Selector,Jetty在Java原生Selector的基础上封装了自己的Selector,叫作ManagedSelector。ManagedSelector在线程策略方面做了大胆尝试,将I/O事件的侦测和处理放到同一个线程来处理,充分利用了CPU缓存并减少了线程上下文切换的开销。

具体的数字是,根据Jetty的官方测试,这种名为“EatWhatYouKill”的线程策略将吞吐量提高了8倍。你一定很好奇它是如何实现的吧,今天我们就来看一看这背后的原理是什么。

Selector编程的一般思路

常规的NIO编程思路是,将I/O事件的侦测和请求的处理分别用不同的线程处理。具体过程是:

启动一个线程,在一个死循环里不断地调用select方法,检测Channel的I/O状态,一旦I/O事件达到,比如数据就绪,就把该I/O事件以及一些数据包装成一个Runnable,将Runnable放到新线程中去处理。

在这个过程中按照职责划分,有两个线程在干活,一个是I/O事件检测线程,另一个是I/O事件处理线程。我们仔细思考一下这两者的关系,其实它们是生产者和消费者的关系。I/O事件侦测线程作为生产者,负责“生产”I/O事件,也就是负责接活儿的老板;I/O处理线程是消费者,它“消费”并处理I/O事件,就是干苦力的员工。把这两个工作用不同的线程来处理,好处是它们互不干扰和阻塞对方。

Jetty中的Selector编程

然而世事无绝对,将I/O事件检测和业务处理这两种工作分开的思路也有缺点。当Selector检测读就绪事件时,数据已经被拷贝到内核中的缓存了,同时CPU的缓存中也有这些数据了,我们知道CPU本身的缓存比内存快多了,这时当应用程序去读取这些数据时,如果用另一个线程去读,很有可能这个读线程使用另一个CPU核,而不是之前那个检测数据就绪的CPU核,这样CPU缓存中的数据就用不上了,并且线程切换也需要开销。

因此Jetty的Connector做了一个大胆尝试,那就是用把I/O事件的生产和消费放到同一个线程来处理,如果这两个任务由同一个线程来执行,如果执行过程中线程不阻塞,操作系统会用同一个CPU核来执行这两个任务,这样就能利用CPU缓存了。那具体是如何做的呢,我们还是来详细分析一下Connector中的ManagedSelector组件。

ManagedSelector

ManagedSelector的本质就是一个Selector,负责I/O事件的检测和分发。为了方便使用,Jetty在Java原生的Selector上做了一些扩展,就变成了ManagedSelector,我们先来看看它有哪些成员变量:

public class ManagedSelector extends ContainerLifeCycle implements Dumpable
{
    //原子变量,表明当前的ManagedSelector是否已经启动
    private final AtomicBoolean _started = new AtomicBoolean(false);
    
    //表明是否阻塞在select调用上
    private boolean _selecting = false;
    
    //管理器的引用,SelectorManager管理若干ManagedSelector的生命周期
    private final SelectorManager _selectorManager;
    
    //ManagedSelector不止一个,为它们每人分配一个id
    private final int _id;
    
    //关键的执行策略,生产者和消费者是否在同一个线程处理由它决定
    private final ExecutionStrategy _strategy;
    
    //Java原生的Selector
    private Selector _selector;
    
    //"Selector更新任务"队列
    private Deque<SelectorUpdate> _updates = new ArrayDeque<>();
    private Deque<SelectorUpdate> _updateable = new ArrayDeque<>();
    
    ...
}

这些成员变量中其他的都好理解,就是“Selector更新任务”队列_updates和执行策略_strategy可能不是很直观。

SelectorUpdate接口

为什么需要一个“Selector更新任务”队列呢,对于Selector的用户来说,我们对Selector的操作无非是将Channel注册到Selector或者告诉Selector我对什么I/O事件感兴趣,那么这些操作其实就是对Selector状态的更新,Jetty把这些操作抽象成SelectorUpdate接口。

/**
 * A selector update to be done when the selector has been woken.
 */
public interface SelectorUpdate
{
    void update(Selector selector);
}

这意味着如果你不能直接操作ManageSelector中的Selector,而是需要向ManagedSelector提交一个任务类,这个类需要实现SelectorUpdate接口update方法,在update方法里定义你想要对ManagedSelector做的操作。

比如Connector中Endpoint组件对读就绪事件感兴趣,它就向ManagedSelector提交了一个内部任务类ManagedSelector.SelectorUpdate:

_selector.submit(_updateKeyAction);

这个_updateKeyAction就是一个SelectorUpdate实例,它的update方法实现如下:

private final ManagedSelector.SelectorUpdate _updateKeyAction = new ManagedSelector.SelectorUpdate()
{
    @Override
    public void update(Selector selector)
    {
        //这里的updateKey其实就是调用了SelectionKey.interestOps(OP_READ);
        updateKey();
    }
};

我们看到在update方法里,调用了SelectionKey类的interestOps方法,传入的参数是OP_READ,意思是现在我对这个Channel上的读就绪事件感兴趣了。

那谁来负责执行这些update方法呢,答案是ManagedSelector自己,它在一个死循环里拉取这些SelectorUpdate任务类逐个执行。

Selectable接口

那I/O事件到达时,ManagedSelector怎么知道应该调哪个函数来处理呢?其实也是通过一个任务类接口,这个接口就是Selectable,它返回一个Runnable,这个Runnable其实就是I/O事件就绪时相应的处理逻辑。

public interface Selectable
{
    //当某一个Channel的I/O事件就绪后,ManagedSelector会调用的回调函数
    Runnable onSelected();

    //当所有事件处理完了之后ManagedSelector会调的回调函数,我们先忽略。
    void updateKey();
}

ManagedSelector在检测到某个Channel上的I/O事件就绪时,也就是说这个Channel被选中了,ManagedSelector调用这个Channel所绑定的附件类的onSelected方法来拿到一个Runnable。

这句话有点绕,其实就是ManagedSelector的使用者,比如Endpoint组件在向ManagedSelector注册读就绪事件时,同时也要告诉ManagedSelector在事件就绪时执行什么任务,具体来说就是传入一个附件类,这个附件类需要实现Selectable接口。ManagedSelector通过调用这个onSelected拿到一个Runnable,然后把Runnable扔给线程池去执行。

那Endpoint的onSelected是如何实现的呢?

@Override
public Runnable onSelected()
{
    int readyOps = _key.readyOps();

    boolean fillable = (readyOps & SelectionKey.OP_READ) != 0;
    boolean flushable = (readyOps & SelectionKey.OP_WRITE) != 0;

    // return task to complete the job
    Runnable task= fillable 
            ? (flushable 
                    ? _runCompleteWriteFillable 
                    : _runFillable)
            : (flushable 
                    ? _runCompleteWrite 
                    : null);

    return task;
}

上面的代码逻辑很简单,就是读事件到了就读,写事件到了就写。

ExecutionStrategy

铺垫了这么多,终于要上主菜了。前面我主要介绍了ManagedSelector的使用者如何跟ManagedSelector交互,也就是如何注册Channel以及I/O事件,提供什么样的处理类来处理I/O事件,接下来我们来看看ManagedSelector是如何统一管理和维护用户注册的Channel集合。再回到今天开始的讨论,ManagedSelector将I/O事件的生产和消费看作是生产者消费者模式,为了充分利用CPU缓存,生产和消费尽量放到同一个线程处理,那这是如何实现的呢?Jetty定义了ExecutionStrategy接口:

public interface ExecutionStrategy
{
    //只在HTTP2中用到,简单起见,我们先忽略这个方法。
    public void dispatch();

    //实现具体执行策略,任务生产出来后可能由当前线程执行,也可能由新线程来执行
    public void produce();
    
    //任务的生产委托给Producer内部接口,
    public interface Producer
    {
        //生产一个Runnable(任务)
        Runnable produce();
    }
}

我们看到ExecutionStrategy接口比较简单,它将具体任务的生产委托内部接口Producer,而在自己的produce方法里来实现具体执行逻辑,也就是生产出来的任务要么由当前线程执行,要么放到新线程中执行。Jetty提供了一些具体策略实现类:ProduceConsume、ProduceExecuteConsume、ExecuteProduceConsume和EatWhatYouKill。它们的区别是:

分析了这几种线程策略,我们再来看看Jetty是如何实现ExecutionStrategy接口的。答案其实就是实现Produce接口生产任务,一旦任务生产出来,ExecutionStrategy会负责执行这个任务。

private class SelectorProducer implements ExecutionStrategy.Producer
{
    private Set<SelectionKey> _keys = Collections.emptySet();
    private Iterator<SelectionKey> _cursor = Collections.emptyIterator();

    @Override
    public Runnable produce()
    {
        while (true)
        {
            //如何Channel集合中有I/O事件就绪,调用前面提到的Selectable接口获取Runnable,直接返回给ExecutionStrategy去处理
            Runnable task = processSelected();
            if (task != null)
                return task;
            
           //如果没有I/O事件就绪,就干点杂活,看看有没有客户提交了更新Selector的任务,就是上面提到的SelectorUpdate任务类。
            processUpdates();
            updateKeys();

           //继续执行select方法,侦测I/O就绪事件
            if (!select())
                return null;
        }
    }
 }

SelectorProducer是ManagedSelector的内部类,SelectorProducer实现了ExecutionStrategy中的Producer接口中的produce方法,需要向ExecutionStrategy返回一个Runnable。在这个方法里SelectorProducer主要干了三件事情

  1. 如果Channel集合中有I/O事件就绪,调用前面提到的Selectable接口获取Runnable,直接返回给ExecutionStrategy去处理。
  2. 如果没有I/O事件就绪,就干点杂活,看看有没有客户提交了更新Selector上事件注册的任务,也就是上面提到的SelectorUpdate任务类。
  3. 干完杂活继续执行select方法,侦测I/O就绪事件。

本期精华

多线程虽然是提高并发的法宝,但并不是说线程越多越好,CPU缓存以及线程上下文切换的开销也是需要考虑的。Jetty巧妙设计了EatWhatYouKill的线程策略,尽量用同一个线程侦测I/O事件和处理I/O事件,充分利用了CPU缓存,并减少了线程切换的开销。

课后思考

文章提到ManagedSelector的使用者不能直接向它注册I/O事件,而是需要向ManagedSelector提交一个SelectorUpdate事件,ManagedSelector将这些事件Queue起来由自己来统一处理,这样做有什么好处呢?

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