设计一个基于Java NIO的高性能HTTP服务器，支持10K并发连接

题目

设计一个基于Java NIO的高性能HTTP服务器，支持10K并发连接

信息

• 类型：问答
• 难度：⭐⭐⭐

考点

NIO多路复用,HTTP协议解析,线程模型优化,资源泄漏防护,背压处理

快速回答

实现要点：

• 使用Selector实现非阻塞I/O多路复用
• 自定义HTTP协议解析器处理字节流
• 主从Reactor线程模型分离I/O和业务处理
• ByteBuffer对象池防止内存碎片
• 响应式背压控制防止OOM
• 使用WeakReference跟踪未关闭连接

核心架构设计

采用主从Reactor模式：
1. Main Reactor：单线程处理Accept事件
2. Sub Reactor：线程池处理Read/Write事件
3. Worker Threads：业务线程池处理HTTP请求

// 主Selector处理Accept
Selector mainSelector = Selector.open();
ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();
ssc.bind(new InetSocketAddress(8080));
ssc.configureBlocking(false);
ssc.register(mainSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

// 从Selector线程池
ExecutorService subReactors = Executors.newFixedThreadPool(
  Runtime.getRuntime().availableProcessors(),
  new ThreadFactory() { /* 守护线程 */ }
);

HTTP协议解析关键

需处理TCP粘包/拆包：
1. 基于状态机解析请求行/头
2. 动态扩容ByteBuffer
3. 处理chunked传输编码

enum ParseState { START_LINE, HEADERS, BODY, COMPLETE }
class HttpParser {
  private ParseState state = ParseState.START_LINE;
  void parse(ByteBuffer buf) throws MalformedRequestException {
    while (buf.hasRemaining()) {
      switch (state) {
        case START_LINE:
          // 解析"GET / HTTP/1.1\r\n"
          if (scanLine(buf)) state = ParseState.HEADERS;
          break;
        // 其他状态处理...
      }
    }
  }
}

性能优化实践

• 内存管理：使用ThreadLocal缓存ByteBuffer，避免频繁分配
• I/O模型：Linux启用epoll（-Djava.nio.channels.spi.SelectorProvider=sun.nio.ch.EPollSelectorProvider）
• 负载控制：当待处理请求＞队列容量80%时返回503

资源泄漏防护

// 使用PhantomReference跟踪未关闭Channel
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue<>();
Set refs = Collections.newSetFromMap(new WeakHashMap<>());
class ChannelRef extends PhantomReference {
  void cleanUp() { /* 强制关闭连接并记录堆栈 */ }
}

// 监控线程
new Thread(() -> {
  while (true) {
    ChannelRef ref = (ChannelRef) queue.remove();
    ref.cleanUp();
    refs.remove(ref);
  }
}).start();

常见陷阱

• 事件驱动误用：在Sub Reactor中执行阻塞操作导致吞吐量下降
• ByteBuffer重用：未正确调用flip()/clear()导致数据错乱
• OOM风险：未限制header大小（需设置maxHeaderSize=8KB）

扩展知识

• 零拷贝优化：FileChannel.transferTo()发送静态文件
• SSL/TLS集成：使用SSLEngine实现非阻塞HTTPS
• 协议升级：处理WebSocket的Upgrade请求（Connection: Upgrade）