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Servlet API 與 NIO 完美融合：打造高擴展性 Web 伺服器

編輯：Java 相關知識

JDK 1.4 引入 NIO (New I/O) 提供非阻塞通道與多路複用能力，但 Servlet API 基於阻塞 I/O 語義設計，兩者天然衝突。本文展示如何透過 生產者/消費者模式 + Piped Streams 橋接差異，實現基於 Servlet 的 NIO 伺服器，在海量長連接場景下大幅超越傳統阻塞 I/O 模型。

核心衝突與解決思路

維度	傳統阻塞 I/O	NIO 非阻塞 I/O
線程模型	一連接一線程	固定線程多路複用
讀取語義	阻塞直到數據就緒	立即返回，可能零字節/部分數據
Servlet 相容	原生支援	需適配層轉換

架構設計：雙線程協作模型

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    NIO Selector Loop (單線程)                │
│  select() → 接受新連接 / 讀取可用數據 → 寫入 PipedOutputStream │
└─────────────────────────┬───────────────────────────────────┘
                          │ PipedInputStream (緩衝管道)
                          ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│              Worker Thread Pool (固定線程池)                 │
│  從管道讀取阻塞流 → 構建 HttpRequest/HttpResponse → 呼叫 Servlet │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

關鍵創新：java.io.PipedInputStream/PipedOutputStream 將非阻塞通道數據「緩衝轉換」為 Servlet 所需的阻塞 InputStream，主線程專職多路複用，工作線程專職 Servlet 處理，互不干擾。

核心類別實現

Server.java - Selector 多路複用循環

public void listen() {
    SelectionKey key = null;
    try {
        while (true) {
            selector.select();  // 阻塞等待事件
            Iterator it = selector.selectedKeys().iterator();
            while (it.hasNext()) {
                key = (SelectionKey) it.next();
                handleKey(key);  // 處理 Accept/Read 事件
                it.remove();
            }
        }
    } catch (IOException e) {
        key.cancel();
    }
}

ServerEventHandler.java - 事件分發與請求佇列

// 自定義佇列支援線程等待/通知
public class Queue extends LinkedList {
    private int waitingThreads = 0;
    
    public synchronized void insert(Object obj) {
        addLast(obj);
        notify();  // 喚醒等待線程
    }
    
    public synchronized Object remove() {
        if (isEmpty()) {
            try { waitingThreads++; wait(); }  // 佇列空則阻塞
            catch (InterruptedException e) { Thread.interrupted(); }
            waitingThreads--;
        }
        return removeFirst();
    }
    
    public boolean isEmpty() {
        return (size() - waitingThreads <= 0);
    }
}

Client.java - 非阻塞到阻塞流轉換器

// 核心邏輯：將 Channel 數據寫入 PipedOutputStream
// 工作線程從 PipedInputStream 讀取，構建 HttpRequest
// 關鍵點：管道緩衝防止主線程阻塞，協議層處理訊息邊界

RequestHandlerThread.java - Servlet 處理循環

public void run() {
    while (true) {
        Client client = (Client) myQueue.remove();  // 從佇列取請求
        try {
            for (;;) {
                HttpRequest req = new HttpRequest(client.clientInputStream, myServletContext);
                HttpResponse res = new HttpResponse(client.key);
                defaultServlet.service(req, res);  // 標準 Servlet 處理
                if (client.notifyRequestDone()) break;  // Keep-Alive 檢查
            }
        } catch (Exception e) {
            client.key.cancel();
            client.key.selector().wakeup();
        }
    }
}