MINA架构

这里,我借用了一张Trustin Lee在Asia 2006的ppt里面的图片来介绍MINA的架构。

Remote Peer就是客户端,而下方的框是MINA的主要结构,各个框之间的箭头代表数据流向。

大家可以对比刚刚的例子来看这个架构图,IoService就是整个MINA的入口,负责底层的IO操作,客户端发过来的消息就是由它处理。刚刚我们使用的IoAcceptor就是一个IoService,之所以抽象成IoService,是因为MINA用同样的架构来处理服务器和客户端编程,IoService的另一个子类就是IoConnector,用于客户端。不过根据笔者的使用经验,使用非阻塞的模型进行客户端编程非常的不方便,你最好寻求其他的阻塞通讯框架。

IoService把数据转化成一个一个的事件,传递给IoFilterChain。你可以加入一连串的IoFilter,进行各种功能。笔者的建议是将一些功能性的,业务不相关的代码,用IoFilter来实现,使得整个应用结构更清晰,也方便代码重用。

被IoFilter处理过的事件,发送给 IoHandler,然后我们在这里实现具体的业务逻辑。这个部分很简单,如果你有Swing的使用经验的话,你会发现它跟Swing的事件非常相像,你要做的事情,仅仅是重载你需要的方法,然后编写具体的业务功能。在这其中,最重要的一个方法就是messageReceived了。

值得留意的是一个IoSession的类,每一个IoSession实例代表这一个连接,我们需要对连接进行的任何操作都通过这个类来实现。

从IoHandler通过调用IoSession.write等方法向客户端发送的消息,会通过跟输入数据相反的次序依次传递,直至由IoService负责把数据发送给客户端。

这就已经是MINA的全部,是不是很简单。

接下来,我会详细介绍我们编写具体代码的时候主要涉及到的三个类,IoHandler、IoSession和IoFilter。

IoHandler

MINA的内部实现了一个事件模型,而IoHanlder则是所有事件最终产生响应的位置。每一个方法的名字很明确表明该事件的含义。messageReceived是接收客户端消息的事件,我们应该在这里实现业务逻辑。messageSent是服务器发送消息的事件,一般情况下我们不会使用它。sessionClosed是客户端断开连接的事件,可以在这里进行一些资源回收等操作。值得留意的是,客户端连接有两个事件,sessionCreated和sessionOpened,两者稍有不同,sessionCreated是由I/O processor线程触发的,而sessionOpened在其后,由业务线程触发的,由于MINA的I/O processor线程非常少,因此如果我们真的需要使用sessionCreated,也必须是耗时短的操作,一般情况下,我们应该把业务初始化的功能放在sessionOpened事件中。

细心的读者可能会发现,我们刚刚的例子继承的是IoHandlerAdapter,IoHandlerAdapter其实就是一个IoHanlder的空的实现,这样我们就可以不用重载不感兴趣的事件。

IoSession

IoSession是一个接口,MINA里很多的地方都使用接口,很好地体现了面向接口编程的思想。它提供了对当前连接的操作功能,还有用户定义属性的存储功能,这点非常重要。IoSession是线程安全的,也就是我们能够在多线程环境中随意操作IoSession,这点给开发带来很大的好处。我们来看看具体提供的方法,笔者列举一些比较常用和重要的方法

在这里,笔者把IoSession的方法大致分成三类

第一类,连接操作功能。

最主要的方法有两个,向客户端发送消息和断开连接。可以看的出,write接受的变量是一个Object,但是实际上应该传入什么类型呢?具体还得看你是否使用了ProtocolCodecFilter(下面会详细介绍),如果使用了ProtocolCodecFilter,那这个message将可能是一个String,或者是一个用户定义的JavaBean。默认的情况,message是一个ByteBuffer。ByteBuffer是MINA的一个类,跟java.nio.ByteBuffer类同名,MINA 2.0将会将它改成IoBuffer,以避免讨论上的误会。

另一个值得留意的是Future类,MINA是一个非阻塞的通信框架,其中一个明显的体现就是调用IoSession.write方法是不会阻塞的。用户调用了write方法之后,消息内容会发到底层等候发送,至于什么时候发出,就不得而知了。当然,实际上调用了write之后,数据几乎是立刻发出的,这得益与NIO的高性能。但是,如果我们必须确认了消息发出,然后进行某些处理,我们就需要使用Future类,以下是一个很常见的代码。

通过调用future.join,程序就会阻塞,直至消息处理结束。我们还能通过future.isWritten得知消息是否成功发送。

在这里,笔者顺便说一个实际使用的发现,消息发送是会自动合并的,简单来说,如果在很短的时间里,对同一个IoSession进行了两次write操作,客户端有可能只收到一条消息,而这条消息就是服务器发出的两条消息前后接起来。这样的设计可以在高并发的时候节省网络开销,而笔者的实际使用过程中,效果也相当好。但是如果这样行为会导致客户端工作不正常,你也可以通过参数关闭它。

第二类,属性存储操作。

通常来说,我们的系统是有用户状态的,我们就需要在连接上存储用户属性,IoSession的Attribute就是这样一个功能。例如两个连接同时连入服务器,一个连接是用户A,用户ID是13,另一个连接是用户B,用户ID是14,我们就可以在用户登录成功之后,调用IoSession.setAttribute(“login_id”,13),然后在其后的操作中,通过IoSession.getAttribute(“login_id”)获得当前登录用户ID,并进行相应的操作。简单来说,就是一个类似HttpSession的功能,当然具体的实现方法不一样。

第三类,连接状态。

这里就不多说了,从方法名上我们就能知道它具体的功能。

IoFilter

过滤器是MINA的一个很重要的功能。IoFilter也是一个接口,但是相对比较复杂,这里就不列举它的方法了。简单来说IoFilter就像ServletFilter,在事件被IoHandler处理之前或之后进行一些特定的操作,但是它比ServletFilter复杂,可以处理很多种事件,除了包括IoHandler的7个事件以外,还有一些内部的事件可以进行操作。

MINA提供了一些常用的IoFilter实现,例如有LoggingFilter(日志功能)、BlacklistFilter(黑名单功能)、CompressionFilter(压缩功能)、SSLFilter(SSL支持),这些过滤器比较简单,通过阅读它们的源代码,能够更进一步理解过滤器的实现。笔者在这里要重点介绍两个过滤器,ProtocolCodecFilter和ExecutorFilter

ProtocolCodecFilter

网络传输的内容其实本质是一个二进制流,但是我们的业务功能不会,或者说不应该去直接操作二进制流。MINA默认向IoHandler传入的message是一个ByteBuffer,如果我们直接在IoHandler操作ByteBuffer,会导致大量协议分析的代码和实际的业务代码混杂在一起。最适合的做法,就是在IoFilter把ByteBuffer转换成String或者JavaBean,ProtocolCodecFilter正是这样的一个功能的过滤器。

使用ProtocolCodecFilter很简单,我们只要把ProtocolCodecFilter加入到FilterChain就可以了,但是我们需要提供一个ProtocolCodecFactory。其实ProtocolCodecFilter仅仅是实现了过滤器部分的功能,它会将最终的转换工作,交给从ProtocolCodecFactory获得的Encode和Decode。如果我们需要编写自己的ProtocolCodec,就应该从ProtocolCodecFactory入手。MINA内置了几个ProtocolCodecFactory,比较常用的就是ObjectSerializationCodecFactory和TextLineCodecFactory。

ObjectSerializationCodecFactory是Java Object序列化之后的内容直接跟ByteBuffer互相转化,比较适合两端都是Java的情况使用。TextLineCodecFactory就是String跟ByteBuffer的转化,说白了就是文本,例如你要实现一个SMTP服务器,或者POP服务器,就可以使用它。而笔者的实际使用,大多数情况都是使用

TextLineCodecFactory

这里提及一下IoFilter的顺序问题,IoFilter是有加入顺序的,例如,先加入LoggingFilter再加入ProtocolCodecFilter,和先加入ProtocolCodecFilter再加入LoggingFilter的效果是不一样的,前者LoggingFilter写入日志的内容是ByteBuffer,而后者写入日志的是转换后具体的类,例如String。实际使用的时候,一定要处理好过滤器的顺序。

ExecutorFilter

另一个重要的过滤器就是ExecutorFilter。这里,我需要先说明一下MINA的线程工作模式,MINA默认是单线程处理所有客户端的消息,也就是说,即使你在一台8CPU的机器上面跑,可能也只用到一个CPU,另外,如果某次消息处理太耗时,就会导致其他消息等待,整体的吞吐量下降。很多朋友抱怨MINA的性能差,其实是因为他们没有加入ExecutorFilter的缘故。ExecutorFilter设计的很精巧,大家可以仔细阅读一下源代码,它会将同一个连接的消息合并起来按顺序调用,不会出现两个线程同时处理同一个连接的情况。

  1. 1.IoAcceptor acceptor = ...;
  2. 2.IoServiceConfig acceptorConfig = acceptor.getDefaultConfig();
  3. 3.acceptorConfig.setThreadModel(ThreadModel.MANUAL);

这里再次提及IoFitler的顺序问题,一般情况下,我们会将ExecutorFilter放在ProtocolCodecFilter之后,因为我们不需要多线程地执行ProtocolCodec操作,用单一线程来进行ProtocolCodec性能会比较高,而具体的业务逻辑可能还设计数据库操作,因此更适合放在不同的线程中运行。

优化指南

MINA默认配置的性能并不是很高的,部分原因是MINA目前还保留初期版本的架构,另外一个原因是因为JVM的发展。

1.IoAcceptor acceptor = new SocketAcceptor(Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1, Executors.newCachedThreadPool());
首先我们关闭默认的ThreadModel设置 ThreadModel是一个很简单的线程实现,用于IoService。但是它实在太弱,以至于在并发环境产生大量问题。在MINA 2.0中,ThreadModel直接被取消。你应该使用ExecutorFilter来实现线程。

  1. acceptor.getDefaultConfig().getFilterChain().addLast("threadPool", new ExecutorFilter(Executors.newCachedThreadPool());

然后我们增加I/O处理线程

每一个Acceptor/Connector都使用一个线程来处理连接,然后把连接发送给I/O processor进行读写操作,我们只可以修改I/O processor使用的线程数,用以下代码设置 当然是要将ExecutorFilter加入,上文已经很详细地描述了 笔者在开发过程中,多次遇到OutOfMemoryError,经过研究之后才发现原因。MINA默认是使用direct memory实现ByteBuffer池的方案(以下简称direct buffer),通过JNI在内存开辟一段空间来使用,该方案在早期的MINA版本中是一个非常好的特性,那是因为MINA开发初期,JVM并没有现在的强大,带有池效果的direct buffer性能比较好。但是当我们使用-Xms -Xmx等指令增加JVM可使用的内存,那仅仅增加了堆的内存空间,而direct memory的空间并没有增加,导致MINA实际使用的时候经常出现OutOfMemoryError。如果你的确想使用direct memory,可以通过-XX:MaxDirectMemorySize选项来设置。不过笔者不建议这样做,因为最新的测试表明,在现代的JVM里面,direct memory比堆的表现更差。这里可能有读者会觉得奇怪,为什么不用池,而要用堆呢,而且还需要gc。那是因为现在的JVM gc能力已经很强了,而且在并发环境里面,pool的同步也是一个性能的问题。我们可以通过这样的代码进行设置 MINA 2.0已经默认把直接内存分配改成堆,为了提供最好的性能和稳定性。

  1. ByteBuffer.setUseDirectBuffers(false);
  2. ByteBuffer.setAllocator(new SimpleByteBufferAllocator());

最后一条优化技巧就是,把你的应用部署在Linux上,并且打开Java NIO使用Linux epoll的功能。可能你还没听过epoll,但是你应该听过Lighttpd、Nginx、Squid等,得益于epoll,它们提供很高的网络性能,还占用非常少的系统资源。JDK6已经默认把epoll配置打开,因此笔者建议把你的应用部署在JDK6上面,也同时因为JDK6还有别的优化特性。如果你的应用必须部署在JDK5上,你也可以通过参数把epoll支持打开。

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