【Java TCP/IP Socket】基于线程池的TCP服务器(含代码)

了解线程池

http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/14105457(读书笔记一:TCP Socket)这篇博文中,服务器端采用的实现方式是:一个客户端对应一个线程。但是,每个新线程都会消耗系统资源:创建一个线程会占用CPU周期,而且每个线程都会建立自己的数据结构(如,栈),也要消耗系统内存,另外,当一个线程阻塞时,JVM将保存其状态,选择另外一个线程运行,并在上下文转换(context switch)时恢复阻塞线程的状态。随着线程数的增加,线程将消耗越来越多的系统资源,这将最终导致系统花费更多的时间来处理上下文转换盒线程管理,更少的时间来对连接进行服务。在这种情况下,加入一个额外的线程实际上可能增加客户端总服务的时间。

我们可以通过限制线程总数并重复使用线程来避免这个问题。我们让服务器在启动时创建一个由固定线程数量组成的线程池,当一个新的客户端连接请求传入服务器,它将交给线程池中的一个线程处理,该线程处理完这个客户端之后,又返回线程池,继续等待下一次请求。如果连接请求到达服务器时,线程池中所有的线程都已经被占用,它们则在一个队列中等待,直到有空闲的线程可用。

实现步骤

1、与一客户一线程服务器一样,线程池服务器首先创建一个ServerSocket实例。

2、然后创建N个线程,每个线程反复循环,从(共享的)ServerSocket实例接收客户端连接。当多个线程同时调用一个ServerSocket实例的accept()方法时,它们都将阻塞等待,直到一个新的连接成功建立,然后系统选择一个线程,为建立起的连接提供服务,其他线程则继续阻塞等待。

3、线程在完成对一个客户端的服务后,继续等待其他的连接请求,而不终止。如果在一个客户端连接被创建时,没有线程在accept()方法上阻塞(即所有的线程都在为其他连接服务),系统则将新的连接排列在一个队列中,直到下一次调用accept()方法。

示例代码

我们依然实现http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/14105457这篇博客中的功能,客户端代码相同,服务器端代码在其基础上改为基于线程池的实现,为了方便在匿名线程中调用处理通信细节的方法,我们对多线程类ServerThread做了一些微小的改动,如下:

package zyb.org.server;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.InputStreamReader;
import java.io.PrintStream;
import java.net.Socket;

/**
 * 该类为多线程类,用于服务端
 */
public class ServerThread implements Runnable {

	private Socket client = null;
	public ServerThread(Socket client){
		this.client = client;
	}

	//处理通信细节的静态方法,这里主要是方便线程池服务器的调用
	public static void execute(Socket client){
		try{
			//获取Socket的输出流,用来向客户端发送数据  
			PrintStream out = new PrintStream(client.getOutputStream());
			//获取Socket的输入流,用来接收从客户端发送过来的数据
			BufferedReader buf = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
			boolean flag =true;
			while(flag){
				//接收从客户端发送过来的数据  
				String str =  buf.readLine();
				if(str == null || "".equals(str)){
					flag = false;
				}else{
					if("bye".equals(str)){
						flag = false;
					}else{
						//将接收到的字符串前面加上echo,发送到对应的客户端  
						out.println("echo:" + str);
					}
				}
			}
			out.close();
			buf.close();
			client.close();
		}catch(Exception e){
			e.printStackTrace();
		}
	}
	@Override
	public void run() {
		execute(client);
	}

}

这样我们就可以很方便地在匿名线程中调用处理通信细节的方法,改进后的服务器端代码如下:

package zyb.org.server;

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * 该类实现基于线程池的服务器
 */
public class serverPool {

	private static final int THREADPOOLSIZE = 2;

	public static void main(String[] args) throws IOException{
		//服务端在20006端口监听客户端请求的TCP连接 
		final ServerSocket server = new ServerSocket(20006);

		//在线程池中一共只有THREADPOOLSIZE个线程,
		//最多有THREADPOOLSIZE个线程在accept()方法上阻塞等待连接请求
		for(int i=0;i<THREADPOOLSIZE;i++){
			//匿名内部类,当前线程为匿名线程,还没有为任何客户端连接提供服务
			Thread thread = new Thread(){
				public void run(){
					//线程为某连接提供完服务后,循环等待其他的连接请求
					while(true){
						try {
							//等待客户端的连接
							Socket client = server.accept();
							System.out.println("与客户端连接成功!");
							//一旦连接成功,则在该线程中与客户端通信
						    ServerThread.execute(client);
						} catch (IOException e) {
							e.printStackTrace();
						}
					} 
				}
			};
			//先将所有的线程开启
			thread.start();
		}
	}
}

结果分析

为了便于测试,程序中,我们将线程池中的线程总数设置为2,这样,服务器端最多只能同事连接2个客户端,如果已有2个客户端与服务器建立了连接,当我们打开第3个客户端的时候,便无法再建立连接,服务器端不会打印出第3个“与客户端连接成功!”的字样。

这第3个客户端如果过了一段时间还没接收到服务端发回的数据,便会抛出一个SocketTimeoutException异常,从而打印出如下信息(客户端代码参见:http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/14105457):

如果在抛出SocketTimeoutException异常之前,有一个客户端的连接关掉了,则第3个客户端便会与服务器端建立起连接,从而收到返回的数据

改进

在创建线程池时,线程池的大小是个很重要的考虑因素,如果创建的线程太多(空闲线程太多),则会消耗掉很多系统资源,如果创建的线程太少,客户端还是有可能等很长时间才能获得服务。因此,线程池的大小需要根据负载情况进行调整,以使客户端连接的时间最短,理想的情况是有一个调度的工具,可以在系统负载增加时扩展线程池的大小(低于大上限值),负载减轻时缩减线程池的大小。一种解决的方案便是使用Java中的Executor接口。

Executor接口代表了一个根据某种策略来执行Runnable实例的对象,其中可能包括了排队和调度等细节,或如何选择要执行的任务。Executor接口只定义了一个方法:

interface Executor{

void execute(Runnable task);

}

Java提供了大量的内置Executor接口实现,它们都可以简单方便地使用,ExecutorService接口继承于Executor接口,它提供了一个更高级的工具来关闭服务器,包括正常的关闭和突然的关闭。我们可以通过调用Executors类的各种静态工厂方法来获取ExecutorService实例,而后通过调用execute()方法来为需要处理的任务分配线程,它首先会尝试使用已有的线程,但如果有必要,它会创建一个新的线程来处理任务,另外,如果一个线程空闲了60秒以上,则将其移出线程池,而且任务是在Executor的内部排队,而不像之前的服务器那样是在网络系统中排队,因此,这个策略几乎总是比前面两种方式实现的TCP服务器效率要高。

改进的代码如下:

package zyb.org.server;

import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * 该类通过Executor接口实现服务器
 */
public class ServerExecutor {

	public static void main(String[] args) throws IOException{
		//服务端在20006端口监听客户端请求的TCP连接 
		ServerSocket server = new ServerSocket(20006);
		Socket client = null;
		//通过调用Executors类的静态方法,创建一个ExecutorService实例
		//ExecutorService接口是Executor接口的子接口
		Executor service = Executors.newCachedThreadPool();
		boolean f = true;
		while(f){
			//等待客户端的连接
			client = server.accept();
			System.out.println("与客户端连接成功!");
			//调用execute()方法时,如果必要,会创建一个新的线程来处理任务,但它首先会尝试使用已有的线程,
			//如果一个线程空闲60秒以上,则将其移除线程池;
			//另外,任务是在Executor的内部排队,而不是在网络中排队
		    service.execute(new ServerThread(client));
		} 
		server.close();
	}
}


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