淺析 Jetty 中的線程優化思路
一、什么是 Jetty
Jetty 跟 Tomcat 一樣是一種 Web 容器，它的總體架構設計如下：
Jetty 總體上由一系列 Connector、一系列 Handler 和一個 ThreadPool組成。
Connector 也就是 Jetty 的連接器組件，相比較 Tomcat 的連接器，Jetty 的連接器在設計上有自己的特點。
Jetty 的 Connector 支持 NIO 通信模型，NIO 模型中的主角是 Selector，Jetty 在 Java 原生 Selector 的基礎上封裝了自己的 Selector：ManagedSelector。
二、Jetty 中的 Selector 交互
2.1 傳統的 Selector 實現
常規的 NIO 編程思路是將 I/O 事件的偵測和請求的處理分別用不同的線程處理。
具體過程是：
- 啟動一個線程；
- 在一個死循環里不斷地調用 select 方法，檢測 Channel 的 I/O 狀態；
- 一旦 I/O 事件到達，就把該 I/O 事件以及一些數據包裝成一個 Runnable；
- 將 Runnable 放到新線程中去處理。
這個過程有兩個線程在干活：一個是 I/O 事件檢測線程、一個是 I/O 事件處理線程。
這兩個線程是"生產者"和"消費者"的關系。
這樣設計的好處：
將兩個工作用不同的線程處理，好處是它們互不干擾和阻塞對方。
這樣設計的缺陷：
當 Selector 檢測讀就緒事件時，數據已經被拷貝到內核中的緩存了，同時 CPU 的緩存中也有這些數據了。
這時當應用程序去讀這些數據時，如果用另一個線程去讀，很有可能這個讀線程使用另一個 CPU 核，而不是之前那個檢測數據就緒的 CPU 核。
這樣 CPU 緩存中的數據就用不上了，并且線程切換也需要開銷。
2.2 Jetty 中的 ManagedSelector 實現
Jetty 的 Connector 將 I/O 事件的生產和消費放到同一個線程處理。
如果執行過程中線程不阻塞，操作系統會用同一個 CPU 核來執行這兩個任務，這樣既能充分利用 CPU 緩存，又可以減少線程上下文切換的開銷。
ManagedSelector 本質上是一個 Selector，負責 I/O 事件的檢測和分發。
為了方便使用，Jetty 在 Java 原生 Selector 的基礎上做了一些擴展，它的成員變量如下：
public class ManagedSelector extends ContainerLifeCycle implements Dumpable
{
// 原子變量，表明當前的ManagedSelector是否已經啟動
private final AtomicBoolean _started = new AtomicBoolean(false);
// 表明是否阻塞在select調用上
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的id
private final int _id;
// 關鍵的執行策略，生產者和消費者是否在同一個線程處理由它決定
private final ExecutionStrategy _strategy;
// Java原生的Selector
private Selector _selector;
// "Selector更新任務"隊列
private Deque<SelectorUpdate> _updates = new ArrayDeque<>();
private Deque<SelectorUpdate> _updateable = new ArrayDeque<>();
...
}2.2.1 SelectorUpdate 接口
為什么需要一個"Selector更新任務"隊列呢？
對于 Selector 的用戶來說，我們對 Selector 的操作無非是將 Channel 注冊到 Selector 或者告訴 Selector 我對什么 I/O 事件感興趣。
這些操作其實就是對 Selector 狀態的更新，Jetty 把這些操作抽象成 SelectorUpdate 接口。
/**
* A selector update to be done when the selector has been woken.
*/
public interface SelectorUpdate
{
void update(Selector selector);
}這意味著不能直接操作 ManagedSelector 中的 Selector，而是需要向 ManagedSelector 提交一個任務類。
這個類需要實現 SelectorUpdate 接口的 update 方法，在 update 方法中定義要對
ManagedSelector 做的操作。
比如 Connector 中的 Endpoint 組件對讀就緒事件感興趣。
它就向 ManagedSelector 提交了一個內部任務類
ManagedSelector.SelectorUpdate：
_selector.submit(_updateKeyAction);這個 _updateKeyAction 就是一個
SelectorUpdate 實例，它的 update 方法實現如下：
private final ManagedSelector.SelectorUpdate _updateKeyAction = new ManagedSelector.SelectorUpdate()
{
@Override
public void update(Selector selector)
{
// 這里的updateKey其實就是調用了SelectionKey.interestOps(OP_READ);
updateKey();
}
};在 update 方法里，調用了 SelectionKey 類的 interestOps 方法，傳入的參數是 OP_READ，意思是我對這個 Channel 上的讀就緒事件感興趣。
2.2.2 Selectable 接口
上面有了 update 方法，那誰來執行這些 update 呢，答案是 ManagedSelector 自己。
它在一個死循環里拉取這些 SelectorUpdate 任務逐個執行。
I/O 事件到達時，ManagedSelector 通過一個任務類接口（Selectable 接口）來確定由哪個函數處理這個事件。
public interface Selectable
{
// 當某一個Channel的I/O事件就緒后，ManagedSelector會調用的回調函數
Runnable onSelected();
// 當所有事件處理完了之后ManagedSelector會調的回調函數
void updateKey();
}Selectable 接口的 onSelected() 方法返回一個 Runnable，這個 Runnable 就是 I/O 事件就緒時相應的處理邏輯。
ManagedSelector 在檢測到某個 Channel 上的 I/O 事件就緒時，ManagedSelector 調用這個 Channel 所綁定的類的 onSelected 方法來拿到一個 Runnable。
然后把 Runnable 扔給線程池去執行。
三、Jetty 的線程優化思路
3.1 Jetty 中的 ExecutionStrategy 實現
前面介紹了 ManagedSelector 的使用交互：
- 如何注冊 Channel 以及 I/O 事件
- 提供什么樣的處理類來處理 I/O 事件
那么 ManagedSelector 如何統一管理和維護用戶注冊的 Channel 集合呢，答案是
ExecutionStrategy 接口。
這個接口將具體任務的生產委托給內部接口 Producer，而在自己的 produce 方法里實現具體執行邏輯。
這個 Runnable 的任務可以由當前線程執行，也可以放到新線程中執行。
public interface ExecutionStrategy
{
// 只在HTTP2中用到的一個方法，暫時忽略
public void dispatch();
// 實現具體執行策略，任務生產出來后可能由當前線程執行，也可能由新線程來執行
public void produce();
// 任務的生產委托給Producer內部接口
public interface Producer
{
// 生產一個Runnable（任務）
Runnable produce();
}
}實現 Produce 接口生產任務，一旦任務生產出來，ExecutionStrategy 會負責執行這個任務。
private class SelectorProducer implements ExecutionStrategy.Producer
{
private Set<SelectionKey> _keys = Collections.emptySet();
private Iterator<SelectionKey> _cursor = Collections.emptyIterator();
@Override
public Runnable produce()
{
while (true)
{
// 如果Channel集合中有I/O事件就緒，調用前面提到的Selectable接口獲取Runnable,直接返回給ExecutionStrategy去處理
Runnable task = processSelected();
if (task != null)
return task;
// 如果沒有I/O事件就緒，就干點雜活，看看有沒有客戶提交了更新Selector的任務，就是上面提到的SelectorUpdate任務類。
processUpdates();
updateKeys();
// 繼續執行select方法，偵測I/O就緒事件
if (!select())
return null;
}
}
}SelectorProducer 是 ManagedSelector 的內部類。
SelectorProducer 實現了 ExecutionStrategy 中的 Producer 接口中的 produce 方法，需要向 ExecutionStrategy 返回一個 Runnable。
在 produce 方法中 SelectorProducer 主要干了三件事：
- 如果 Channel 集合中有 I/O 事件就緒，調用前面提到的 Selectable 接口獲取 Runnable，直接返回給
ExecutionStrategy 處理。 - 如果沒有 I/O 事件就緒，就干點雜活，看看有沒有客戶提交了更新 Selector 上事件注冊的任務，也就是上面提到的
SelectorUpdate 任務類。 - 干完雜活繼續執行 select 方法，偵測 I/O 就緒事件。
3.2 Jetty 的線程執行策略
3.2.1 ProduceConsume(PC) 線程執行策略
任務生產者自己依次生產和執行任務，對應到 NIO 通信模型就是用一個線程來偵測和處理一個 ManagedSelector 上的所有的 I/O 事件。
后面的 I/O 事件要等待前面的 I/O 事件處理完，效率明顯不高。
圖中，綠色代表生產一個任務，藍色代表執行這個任務，下同。
3.2.2 ProduceExecuteConsume(PEC) 線程執行策略
任務生產者開啟新線程來執行任務，這是典型的 I/O 事件偵測和處理用不同的線程來處理。
缺點是不能利用 CPU 緩存，并且線程切換成本高。
圖中，棕色代表線程切換，下同。
3.2.3 ExecuteProduceConsume(EPC) 線程執行策略
任務生產者自己運行任務，這種方式可能會新建一個新的線程來繼續生產和執行任務。
它的優點是能利用 CPU 緩存，但是潛在的問題是如果處理 I/O 事件的業務代碼執行時間過長，會導致線程大量阻塞和線程饑餓。
3.2.4 EatWhatYouKill(EWYK) 改良線程執行策略
這是 Jetty 對 ExecuteProduceConsume 策略的改良，在線程池線程充足的情況下等同于 ExecuteProduceConsume；
當系統比較忙線程不夠時，切換成 ProduceExecuteConsume 策略。
這么做的原因是：
ExecuteProduceConsume 是在同一線程執行 I/O 事件的生產和消費，它使用的線程來自 Jetty 全局的線程池，這些線程有可能被業務代碼阻塞，如果阻塞的多了，全局線程池中線程自然就不夠用了，最壞的情況是連 I/O 事件的偵測都沒有線程可用了，會導致 Connector 拒絕瀏覽器請求。
于是 Jetty 做了一個優化：
在低線程情況下，就執行
ProduceExecuteConsume 策略，I/O 偵測用專門的線程處理， I/O 事件的處理扔給線程池處理，其實就是放到線程池的隊列里慢慢處理。
四、總結
本文基于 Jetty-9 介紹了 ManagedSelector 和 ExecutionStrategy 的設計實現，介紹了 PC、PEC、EPC 三種線程執行策略的差異，從 Jetty 對線程執行策略的改良操作中可以看出，Jetty 的線程執行策略會優先使用 EPC 使得生產和消費任務能夠在同一個線程上運行，這樣做可以充分利用熱緩存，避免調度延遲。
這給我們做性能優化也提供了一些思路：
- 在保證不發生線程饑餓的情況下，盡量使用同一個線程生產和消費可以充分利用 CPU 緩存，并減少線程切換的開銷。
- 根據實際場景選擇最適合的執行策略，通過組合多個子策略也可以揚長避短達到1+1>2的效果。
參考文檔：
