一種基于Mina狀態(tài)機(jī)的高性能服務(wù)器的設(shè)計(jì)方法

張衛(wèi)鋼 向 運(yùn) 袁夢(mèng)覺

（長(zhǎng)安大學(xué)信息工程學(xué)院，陜西西安 710064）

IO系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序的性能有至關(guān)重要的影響[1]。為提高程序IO處理效率，Java平臺(tái)開發(fā)了NIO技術(shù)，它采用事件驅(qū)動(dòng)的非阻塞的方式管理IO，性能很高，但是直接使用難度很大。Mina應(yīng)用程序框架封裝了Java NIO技術(shù)，降低了軟件開發(fā)難度。其有限狀態(tài)機(jī)用直觀的表格或圖形代替復(fù)雜的邏輯，非常適合以事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)。如果使用得當(dāng)，可以開發(fā)出簡(jiǎn)單高效的服務(wù)器程序。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架

MINA全 稱 為Multi-purpose Infrastructure for Network Applications，即網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多功能框架。它使用Java NIO技術(shù)，提供了一個(gè)基于傳輸層事件驅(qū)動(dòng)的異步API，能夠幫助用戶開發(fā)出高效的高可靠性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。

NIO是Java平臺(tái)為解決傳統(tǒng)IO效率低下的問題而開發(fā)的一種新型IO技術(shù)，它采用操作系統(tǒng)管理內(nèi)存和文件的方式管理IO，并將一些耗時(shí)的操作轉(zhuǎn)嫁給操作系統(tǒng)，使IO效率有了很大提高。另外，NIO采用事件驅(qū)動(dòng)、非阻塞的方式[2]，能在單線程中管理大量并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)連接，提高了系統(tǒng)資源利用率。

Mina框架對(duì)NIO進(jìn)行了封裝，將真正的網(wǎng)絡(luò)通信與應(yīng)用程序隔離開來(lái)，人們只需要關(guān)心收發(fā)的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)邏輯即可[3]。

1.2 有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)是一種表示有限個(gè)狀態(tài)以及這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型[4]。狀態(tài)機(jī)中的狀態(tài)反映了系統(tǒng)從開始到當(dāng)前時(shí)刻的所有輸入變化的累加結(jié)果;轉(zhuǎn)換函數(shù)表示狀態(tài)間的映射關(guān)系; 動(dòng)作是在給定時(shí)刻要進(jìn)行的活動(dòng)的描述。有限狀態(tài)機(jī)可以比較精確的刻畫軟件系統(tǒng)的行為，因此被廣泛用于很多領(lǐng)域模型系統(tǒng)的建立。

當(dāng)系統(tǒng)的行為由許多不同類型事件驅(qū)動(dòng)，對(duì)特定事件的響應(yīng)取決于當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)，有限狀態(tài)機(jī)最為有用。可以將有限狀態(tài)機(jī)作為一種組織原理，用來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)復(fù)雜的行為。如果處理得當(dāng)，有限狀態(tài)機(jī)可以使代碼簡(jiǎn)單、測(cè)試迅速、維護(hù)輕松。

2 基于Mina狀態(tài)機(jī)的服務(wù)器設(shè)計(jì)

Mina網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架提供了基于狀態(tài)機(jī)的編程接口。本文以五子棋游戲服務(wù)器程序?yàn)槔?jiǎn)要介紹基于Mina狀態(tài)機(jī)的服務(wù)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

有限狀態(tài)機(jī)的基本要素是它所響應(yīng)的事件及事件間的狀態(tài)。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在每個(gè)可能的狀態(tài)下某個(gè)事件是否可能發(fā)生；采取什么動(dòng)作來(lái)處理事件；處理后轉(zhuǎn)移到什么狀態(tài)；轉(zhuǎn)換時(shí)需要記錄什么變量等。

五子棋游戲的客戶端共有四個(gè)狀態(tài)：未登錄狀態(tài)、閑置狀態(tài)、等待狀態(tài)和游戲中狀態(tài)。

（1）未登錄狀態(tài)下，客戶端的事件有用戶登錄。服務(wù)器收到登錄請(qǐng)求后，反饋用戶列表信息，并將客戶端的狀態(tài)更新為閑置狀態(tài)。

（2）閑置狀態(tài)下，客戶端的事件有創(chuàng)建游戲和加入游戲。服務(wù)器收到創(chuàng)建游戲請(qǐng)求后，將客戶端狀態(tài)更新為等待狀態(tài)。服務(wù)器收到加入游戲請(qǐng)求后，為游戲雙方建立映射，給雙方反饋信息，并將雙方的狀態(tài)更新為游戲中。

（3）等待狀態(tài)下，客戶端的事件有放棄游戲。服務(wù)器收到放棄游戲請(qǐng)求后，更改該客戶端狀態(tài)為閑置狀態(tài)。

（4）游戲中狀態(tài)下，客戶端的事件有放棄游戲和游戲結(jié)束。放棄游戲事件與前面類似。如果服務(wù)器收到的是游戲結(jié)束命令，則反饋勝負(fù)信息，開始下一局游戲，不更改客戶端狀態(tài)。系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示。

圖1 五子棋客戶端狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.2 基于Mina狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

（1）配置狀態(tài)

需要配置閑置狀態(tài)、等待狀態(tài)和游戲中等三個(gè)狀態(tài)。以閑置狀態(tài)為例，方法如下：

@State public static final String IDLE =“Idle”;

其他兩個(gè)狀態(tài)的定義與之類似。

（2）配置狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)

在配置狀態(tài)之后，需要配置狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)。每個(gè)事件對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)。以創(chuàng)建游戲?yàn)槔?/p>

public void createGame(IoSession session,CreateCommand createCMD){…… //創(chuàng)建游戲}

當(dāng)起始狀態(tài)為“in = IDLE”、發(fā)生事件“on = MESSAGE_RECEIVED”時(shí)，該方法被調(diào)用，方法執(zhí)行后，系統(tǒng)狀態(tài)變更為“next= WAIT”。

（3）創(chuàng)建和配置編解碼器

編解碼器用于將收到的字節(jié)信息轉(zhuǎn)換為通信協(xié)議格式的命令對(duì)象。以創(chuàng)建游戲?yàn)槔绻盏降臄?shù)據(jù)以字符串“/creategame [inchess]”開頭，則表明為“創(chuàng)建游戲”命令，我們將它封裝為createCMD對(duì)象。其他情況與此類似。

if(line.startsWith(“/creategame [inchess]”)){

//創(chuàng)建游戲

CreateCommand createCMD = new CreateCommand();

createCMD.msgReceived = line;

}

（4）配置Mina框架并創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)代理

在設(shè)計(jì)好狀態(tài)機(jī)和自定義編解碼器后，我們需要將它們關(guān)聯(lián)到Mina框架中。在main()方法中，綁定自定義的編解碼器對(duì)象CommandDecoder和IoHandler的實(shí)例createIoHandler。createIoHandler實(shí)例是由狀態(tài)機(jī)對(duì)象創(chuàng)建的代理對(duì)象。

ProtocolCodecFilter pcf = new ProtocolCodecFilter(

new TextLineEncoder(), new CommandDecoder());acceptor.getFilterChain().addLast(“codec”, pcf);

acceptor.setHandler(createIoHandler());createIoHandler實(shí)例的核心代碼如下：

StateMachine sm = StateMachineFactory.getInstance(

IoHandlerTransition.class).create(ChessServer.IDLE, new ChessServer());

return new StateMachineProxyBuilder().setStateContextLookup(

new IoSessionStateContextLookup(new StateContextFactory() {public StateContext create() {

return new ChessServer.ChessContext();

}

})).create(IoHandler.class, sm);至此，一個(gè)基于Mina狀態(tài)機(jī)的五子棋游戲服務(wù)器程序就編寫成功了。

2.3 測(cè)試結(jié)果

在公網(wǎng)環(huán)境中，使用普通PC機(jī)模擬服務(wù)器進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)客戶端個(gè)數(shù)在大約8000個(gè)時(shí)，基于Mina狀態(tài)機(jī)的五子棋游戲服務(wù)器程序運(yùn)行正常。與之相比較的測(cè)試程序采用Java傳統(tǒng)IO開發(fā)，使用為每一個(gè)客戶端開啟一個(gè)線程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的IO處理。在相同的硬件條件和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，當(dāng)客戶端數(shù)量達(dá)到大約2500個(gè)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)大量客戶端連接失敗的現(xiàn)象。

測(cè)試結(jié)果表明：基于Mina狀態(tài)機(jī)開發(fā)的服務(wù)器程序，與基于Java傳統(tǒng)方式開放的服務(wù)器程序相比，性能有了很大的提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

相較于傳統(tǒng)方法，基于Mina狀態(tài)機(jī)的服務(wù)器設(shè)計(jì)方法使用了有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。同時(shí)又具有Mina框架高性能的優(yōu)點(diǎn)，因此，是一種能夠幫助人們很方便地開發(fā)出高性能、高訪問量、復(fù)雜邏輯服務(wù)器程序的方法，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]張華,范寶德.基于Java NIO的通信技術(shù)研究[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2008,8(4):44-47.

[2]羅振興，徐大偉.基于Java新IO的Web安全網(wǎng)關(guān)[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33(6):107-109.

[3]楊鐵軍，徐和飛.一種基于MINA框架的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,25(11): 22-24

[4]李健俊，蔣一翔.基于有限狀態(tài)機(jī)的用戶權(quán)限隔離模型[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2013,33(1):149- 152.