使用 Java 实现 Comet 风格的 Web 应用

实现 Servlet 3.0 规范

探索 Comet 开发的不同实现。看看 Jetty 和 Tomcat 之类的流行 Java™ Web 服务器如何支持 Comet 应用程序,并了解如何为不同的服务器编程。最后,了解 Java 中有关 Comet 的标准化建议,这些建议是即将到来的 Servlet 3.0 和 JavaEE 6 规范的一部分。

Michael Galpin, 软件架构师, eBay

/developerworks/i/p-mgalpin.jpgMichael Galpin 从 1998 年开始从事 Java 软件开发。他目前在 Ludi Labs 工作,这是在加利福尼亚州芒廷维尤市新成立的公司。他从 California Institute of Technology 获得了数学学位。



2009 年 7 月 22 日

开始

在本文中,我将展示如何使用各种不同的 Java 技术构建一些简单的 Comet 风格的 Web 应用程序。读者对 Java servlet、Ajax 和 JavaScript 应该有一定的了解。我们将考察 Tomcat 和 Jetty 中一些支持 Comet 的特性,因此需要使用这两个产品的最新版本。本文使用 Tomcat 6.0.14 和 Jetty 6.1.14。另外还需要一个支持 Java 5 或更高版本的 JDK。本文使用 JDK 1.5.0-16。此外还需要看看 Jetty 7 的预发布版,因为它实现了 Servlet 3.0 规范,我们将在本文中研究该规范。请参阅 参考资料,找到下载链接。


理解 Comet

您可能已经听说过 Comet,因为它最近受到了一定的关注。Comet 有时也称反向 Ajax 或服务器端推技术(server-side push)。其思想很简单:将数据直接从服务器推到浏览器,而不必等到浏览器请求数据。听起来简单,但是如果熟悉 Web 应用程序,尤其是 HTTP 协议,那么您就会知道,这绝不简单。实现 Comet 风格的 Web 应用程序,同时保证在浏览器和服务器上的可伸缩性,这只是在最近几年才成为可能。在本文的后面,我们将看看一些流行的 Java Web 服务器如何支持可伸缩的 Comet 架构,但首先我们来看看为什么要创建 Comet 应用程序,以及用于实现它们的常见设计模式。

使用 Comet 的动机

HTTP 协议的成功毋庸置疑。它是 Internet 上大部分信息交换的基础。然而,它也有一些局限性。特别是,它是无状态、单向的协议。请求被发送到 Web 服务器,服务器处理请求并发回一个响应 — 仅此而已。请求必须由客户机发出,而服务器则只能在对请求的响应中发送数据。这至少会影响很多类型的 Web 应用程序的实用性。典型的例子就是聊天程序。另外还有一些例子,例如比赛的比分、股票行情或电子邮件程序。

HTTP 的这些局限性也是它取得一定成功的原因。请求/响应周期使它成为了经典的模型,即每个连接使用一个线程。只要能够快速为请求提供服务,这种方法就有巨大的可伸缩性。每秒钟可以处理大量的请求,只需使用少量的服务器就可以处理很大数量的用户。对于很多经典的 Web 应用程序,例如内容管理系统、搜索应用程序和电子商务站点等等而言,这非常适合。在以上任何一种 Web 应用程序中,服务器提供用户请求的数据,然后关闭连接,并释放那个线程,使之可以为其他请求服务。如果提供初始数据之后仍可能存在交互,那么将连接保持为打开状态,因此线程就不能释放出来,服务器也就不能为很多用户服务。

但是,如果想在对请求做出响应并发送初始数据之后,仍然保持与用户的交互呢?在 Web 早期,这一点常使用 meta 刷新实现。这将自动指示浏览器在指定秒数之后重新装载页面,从而支持简陋的轮询(polling)。这不仅是一种糟糕的用户体验,而且通常效率非常低下。如果没有新的数据要显示在页面上呢?这时不得不重新呈现同样的页面。如果对页面的更改很少,并且页面的大部分没有变化呢?同样,不管是否有必要,都得重新请求和获取页面上的一切内容。

Ajax 的发明和流行改变了上述状况。现在,服务器可以异步通信,因此不必重新请求整个页面。现在可以进行增量式的更新。只需使用 XMLHttpRequest 轮询服务器。这项技术通常被称作 Comet。这项技术存在一些变体,每种变体具有不同的性能和可伸缩性。我们来看看这些不同风格的 Comet。

Comet 风格

Ajax 的出现使 Comet 成为可能。HTTP 的单向性质可以有效地加以规避。实际上有一些不同的方法可以绕过这一点。您可能已经猜到,支持 Comet 的最容易的方式是轮询(poll)。使用 XMLHttpRequest 向服务器发出调用,返回后,等待一段固定的时间(通常使用 JavaScript 的 setTimeout 函数),然后再次调用。这是一项非常常见的技术。例如,大多数 webmail 应用程序就是通过这种技术在电子邮件到达时显示电子邮件的。

这项技术有优点也有缺点。在这种情况下,您期望快速返回响应,就像任何其他 Ajax 请求一样。在请求之间必须有一段暂停。否则,连续不断的请求会冲垮服务器,并且这种情况下显然不具有可伸缩性。这段暂停使应用程序产生一个延时。暂停的时间越长,服务器上的新数据就需要越多的时间才能到达客户机。如果缩短暂停时间,又将重新面临冲垮服务器的风险。但是另一方面,这显然是最简单的实现 Comet 的方式。

现在应该指出,很多人认为轮询并不属于 Comet。相反,他们认为 Comet 是对轮询的局限性的一个解决方案。最常见的 “真正的” Comet 技术是轮询的一种变体,即长轮询(long polling)。轮询与长轮询之间的主要区别在于服务器花多长的时间作出响应。长轮询通常将连接保持一段较长的时间 — 通常是数秒钟,但是也可能是一分钟甚至更长。当服务器上发生某个事件时,响应被发送并随即关闭,轮询立即重新开始。

长轮询相对于一般轮询的优点在于,数据一旦可用,便立即从服务器发送到客户机。请求可能等待较长的时间,期间没有任何数据返回,但是一旦有了新的数据,它将立即被发送到客户机。因此没有延时。如果您使用过基于 Web 的聊天程序,或者声称 “实时” 的任何程序,那么它很可能就是使用了这种技术。

长轮询有一种变体,这是第三种风格的 Comet。这通常被称为流(streaming)。按照这种风格,服务器将数据推回客户机,但是不关闭连接。连接将一直保持开启,直到过期,并导致重新发出请求。XMLHttpRequest 规范表明,可以检查 readyState 的值是否为 3 或 Receiving(而不是 4 或 Loaded),并获取正从服务器 “流出” 的数据。和长轮询一样,这种方式也没有延时。当服务器上的数据就绪时,该数据被发送到客户机。这种方式的另一个优点是可以大大减少发送到服务器的请求,从而避免了与设置服务器连接相关的开销和延时。不幸的是,XMLHttpRequest 在不同的浏览器中有很多不同的实现。这项技术只能在较新版本的 Mozilla Firefox 中可靠地使用。对于 Internet Explorer 或 Safari,仍需使用长轮询。

至此,您可能会想,长轮询和流都有一个很大的问题。请求需要在服务器上存在一段较长的时间。这打破了每个请求使用一个线程的模型,因为用于一个请求的线程一直没有被释放。更糟糕的是,除非要发回数据,否则该线程一直处于空闲状态。这显然不具有可伸缩性。幸运的是,现代 Java Web 服务器有很多方式可以解决这个问题。


Java 中的 Comet

现在有很多 Web 服务器是用 Java 构建的。一个原因是 Java 有一个丰富的本地线程模型。因此实现典型的每个连接一个线程的模型便非常简单。该模型对于 Comet 不大适用,但是,Java 对此同样有解决的办法。为了有效地处理 Comet,需要非阻塞 IO,Java 通过它的 NIO 库提供非阻塞 IO。两种最流行的开源服务器 Apache Tomcat 和 Jetty 都利用 NIO 增加非阻塞 IO,从而支持 Comet。然而,这两种服务器中的实现却各不相同。我们来看看 Tomcat 和 Jetty 对 Comet 的支持。

Tomcat 和 Comet

对于 Apache Tomcat,要使用 Comet,主要需要做两件事。首先,需要对 Tomcat 的配置文件 server.xml 稍作修改。默认情况下启用的是更典型的同步 IO 连接器。现在只需将它切换成异步版本,如清单 1 所示。

清单 1. 修改 Tomcat 的 server.xml
<!-- This is the usual Connector, comment it out and add the NIO one -->
   <!-- Connector URIEncoding="utf-8" connectionTimeout="20000" port="8084" 
protocol="HTTP/1.1" redirectPort="8443"/ -->
<Connector connectionTimeout="20000" port="8080" protocol="org.apache.
coyote.http11.Http11NioProtocol" redirectPort="8443"/>

这使 Tomcat 可以处理更多的并发连接,但需要说明的是,其中大多数连接有很多时间都处于空闲状态。利用这一点的最容易的方式是创建一个实现 org.apache.catalina.CometProcessor 接口的 servlet。这显然是 Tomcat 特有的一个接口。清单 2 显示了一个这样的例子。

清单 2. Tomcat Comet servlet
public class TomcatWeatherServlet extends HttpServlet implements CometProcessor {

    private MessageSender messageSender = null;
    private static final Integer TIMEOUT = 60 * 1000;

    @Override
    public void destroy() {
        messageSender.stop();
        messageSender = null;

    }

    @Override
    public void init() throws ServletException {
        messageSender = new MessageSender();
        Thread messageSenderThread =
                new Thread(messageSender, "MessageSender[" + getServletContext()
.getContextPath() + "]");
        messageSenderThread.setDaemon(true);
        messageSenderThread.start();

    }

    public void event(final CometEvent event) throws IOException, ServletException {
        HttpServletRequest request = event.getHttpServletRequest();
        HttpServletResponse response = event.getHttpServletResponse();
        if (event.getEventType() == CometEvent.EventType.BEGIN) {
            request.setAttribute("org.apache.tomcat.comet.timeout", TIMEOUT);
            log("Begin for session: " + request.getSession(true).getId());
            messageSender.setConnection(response);
            Weatherman weatherman = new Weatherman(95118, 32408);
            new Thread(weatherman).start();
        } else if (event.getEventType() == CometEvent.EventType.ERROR) {
            log("Error for session: " + request.getSession(true).getId());
            event.close();
        } else if (event.getEventType() == CometEvent.EventType.END) {
            log("End for session: " + request.getSession(true).getId());
            event.close();
        } else if (event.getEventType() == CometEvent.EventType.READ) {
            throw new UnsupportedOperationException("This servlet does not accept 
data");
        }

    }
}

CometProcessor 接口要求实现 event 方法。这是用于 Comet 交互的一个生命周期方法。Tomcat 将使用不同的 CometEvent 实例调用。通过检查 CometEventeventType,可以判断正处在生命周期的哪个阶段。当请求第一次传入时,即发生 BEGIN 事件。READ 事件表明数据正在被发送,只有当请求为 POST 时才需要该事件。遇到 ENDERROR 事件时,请求终止。

在清单 2 的例子中,servlet 使用一个 MessageSender 类发送数据。这个类的实例是在 servlet 的 init 方法中在其自身的线程中创建,并在 servlet 的 destroy 方法中销毁的。清单 3 显示了 MessageSender

清单 3. MessageSender
private class MessageSender implements Runnable {

    protected boolean running = true;
    protected final ArrayList<String> messages = new ArrayList<String>();
    private ServletResponse connection;
    private synchronized void setConnection(ServletResponse connection){
        this.connection = connection;
        notify();
    }
    public void send(String message) {
        synchronized (messages) {
            messages.add(message);
            log("Message added #messages=" + messages.size());
            messages.notify();
        }
    }
    public void run() {
        while (running) {
            if (messages.size() == 0) {
                try {
                    synchronized (messages) {
                        messages.wait();
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    // Ignore
                }
            }
            String[] pendingMessages = null;
            synchronized (messages) {
                pendingMessages = messages.toArray(new String[0]);
                messages.clear();
            }
            try {
                if (connection == null){
                    try{
                        synchronized(this){
                            wait();
                        }
                    } catch (InterruptedException e){
                        // Ignore
                    }
                }
                PrintWriter writer = connection.getWriter();
                for (int j = 0; j < pendingMessages.length; j++) {
                    final String forecast = pendingMessages[j] + "<br>";
                    writer.println(forecast);
                    log("Writing:" + forecast);
                }
                writer.flush();
                writer.close();
                connection = null;
                log("Closing connection");
            } catch (IOException e) {
                log("IOExeption sending message", e);
            }
        }
    }
}

这个类基本上是样板代码,与 Comet 没有直接的关系。但是,有两点要注意。这个类含有一个 ServletResponse 对象。回头看看清单 2 中的 event 方法,当事件为 BEGIN 时,response 对象被传入到 MessageSender 中。在 MessageSender 的 run 方法中,它使用 ServletResponse 将数据发送回客户机。注意,一旦发送完所有排队等待的消息后,它将关闭连接。这样就实现了长轮询。如果要实现流风格的 Comet,那么需要使连接保持开启,但是仍然刷新数据。

回头看清单 2 可以发现,其中创建了一个 Weatherman 类。正是这个类使用 MessageSender 将数据发送回客户机。这个类使用 Yahoo RSS feed 获得不同地区的天气信息,并将该信息发送到客户机。这是一个特别设计的例子,用于模拟以异步方式发送数据的数据源。清单 4 显示了它的代码。

清单 4. Weatherman
private class Weatherman implements Runnable{

    private final List<URL> zipCodes;
    private final String YAHOO_WEATHER = "http://weather.yahooapis.com/forecastrss?p=";

    public Weatherman(Integer... zips) {
        zipCodes = new ArrayList<URL>(zips.length);
        for (Integer zip : zips) {
            try {
                zipCodes.add(new URL(YAHOO_WEATHER + zip));
            } catch (Exception e) {
                // dont add it if it sucks
            }
        }
    }

   public void run() {
       int i = 0;
       while (i >= 0) {
           int j = i % zipCodes.size();
           SyndFeedInput input = new SyndFeedInput();
           try {
               SyndFeed feed = input.build(new InputStreamReader(zipCodes.get(j)
.openStream()));
               SyndEntry entry = (SyndEntry) feed.getEntries().get(0);
               messageSender.send(entryToHtml(entry));
               Thread.sleep(30000L);
           } catch (Exception e) {
               // just eat it, eat it
           }
           i++;
       }
   }

    private String entryToHtml(SyndEntry entry){
        StringBuilder html = new StringBuilder("<h2>");
        html.append(entry.getTitle());
        html.append("</h2>");
        html.append(entry.getDescription().getValue());
        return html.toString();
    }
}

这个类使用 Project Rome 库解析来自 Yahoo Weather 的 RSS feed。如果需要生成或使用 RSS 或 Atom feed,这是一个非常有用的库。此外,这个代码中只有一个地方值得注意,那就是它产生另一个线程,用于每过 30 秒钟发送一次天气数据。最后,我们再看一个地方:使用该 servlet 的客户机代码。在这种情况下,一个简单的 JSP 加上少量的 JavaScript 就足够了。清单 5 显示了该代码。

清单 5. 客户机 Comet 代码
<%@page contentType="text/html" pageEncoding="UTF-8"%>
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01 Transitional//EN"
   "http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd">

<html>
    <head>
        <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=UTF-8">
        <title>Comet Weather</title>
        <SCRIPT TYPE="text/javascript">
            function go(){
                var url = "http://localhost:8484/WeatherServer/Weather"
                var request =  new XMLHttpRequest();
                request.open("GET", url, true);
                request.setRequestHeader("Content-Type","application/x-javascript;");
                request.onreadystatechange = function() {
                    if (request.readyState == 4) {
                        if (request.status == 200){
                            if (request.responseText) {
                                document.getElementById("forecasts").innerHTML = 
request.responseText;
                            }
                        }
                        go();
                    }
                };
                request.send(null);
            }
        </SCRIPT>
    </head>
    <body>
        <h1>Rapid Fire Weather</h1>
        <input type="button" onclick="go()" value="Go!"></input>
        <div id="forecasts"></div>
    </body>
</html>

该代码只是在用户单击 Go 按钮时开始长轮询。注意,它直接使用 XMLHttpRequest 对象,所以这在 Internet Explorer 6 中将不能工作。您可能需要使用一个 Ajax 库解决浏览器差异问题。除此之外,惟一需要注意的是回调函数,或者为请求的 onreadystatechange 函数创建的闭包。该函数粘贴来自服务器的新的数据,然后重新调用 go 函数。

现在,我们看过了一个简单的 Comet 应用程序在 Tomcat 上是什么样的。有两件与 Tomcat 密切相关的事情要做:一是配置它的连接器,二是在 servlet 中实现一个特定于 Tomcat 的接口。您可能想知道,将该代码 “移植” 到 Jetty 有多大难度。接下来我们就来看看这个问题。

Jetty 和 Comet

Jetty 服务器使用稍微不同的技术来支持 Comet 的可伸缩的实现。Jetty 支持被称作 continuations 的编程结构。其思想很简单。请求先被暂停,然后在将来的某个时间点再继续。规定时间到期,或者某种有意义的事件发生,都可能导致请求继续。当请求被暂停时,它的线程被释放。

可以使用 Jetty 的 org.mortbay.util.ajax.ContinuationSupport 类为任何 HttpServletRequest 创建 org.mortbay.util.ajax.Continuation 的一个实例。这种方法与 Comet 有很大的不同。但是,continuations 可用于实现逻辑上等效的 Comet。清单 6 显示清单 2 中的 weather servlet “移植” 到 Jetty 后的代码。

清单 6. Jetty Comet servlet
public class JettyWeatherServlet extends HttpServlet {
    private MessageSender messageSender = null;
    private static final Integer TIMEOUT = 5 * 1000;
    public void begin(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) 
throws IOException, ServletException {
        request.setAttribute("org.apache.tomcat.comet", Boolean.TRUE);
        request.setAttribute("org.apache.tomcat.comet.timeout", TIMEOUT);
        messageSender.setConnection(response);
        Weatherman weatherman = new Weatherman(95118, 32408);
        new Thread(weatherman).start();
    }
    public void end(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) 
throws IOException, ServletException {
        synchronized (request) {
            request.removeAttribute("org.apache.tomcat.comet");
            Continuation continuation = ContinuationSupport.getContinuation
(request, request);
            if (continuation.isPending()) {
                continuation.resume();
            }
        }
    }
    public void error(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) 
throws IOException, ServletException {
        end(request, response);
    }
    public boolean read(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) 
throws IOException, ServletException {
        throw new UnsupportedOperationException();
    }
    @Override
    protected void service(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) 
throws IOException, ServletException {
        synchronized (request) {
            Continuation continuation = ContinuationSupport.getContinuation
(request, request);
            if (!continuation.isPending()) {
                begin(request, response);
            }
            Integer timeout = (Integer) request.getAttribute
("org.apache.tomcat.comet.timeout");
            boolean resumed = continuation.suspend(timeout == null ? 10000 : 
timeout.intValue());

            if (!resumed) {
                error(request, response);
            }
        }
    }
    public void setTimeout(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, 
int timeout) throws IOException, ServletException,
            UnsupportedOperationException {
        request.setAttribute("org.apache.tomcat.comet.timeout", new Integer(timeout));
    }
}

这里最需要注意的是,该结构与 Tomcat 版本的代码非常类似。beginreadenderror 方法都与 Tomcat 中相同的事件匹配。该 servlet 的 service 方法被覆盖为在请求第一次进入时创建一个 continuation 并暂停该请求,直到超时时间已到,或者发生导致它重新开始的事件。上面没有显示 initdestroy 方法,因为它们与 Tomcat 版本是一样的。该 servlet 使用与 Tomcat 相同的 MessageSender。因此不需要修改。注意 begin 方法如何创建 Weatherman 实例。对这个类的使用与 Tomcat 版本中也是完全相同的。甚至客户机代码也是一样的。只有 servlet 有更改。虽然 servlet 的变化比较大,但是与 Tomcat 中的事件模型仍是一一对应的。

希望这足以鼓舞人心。虽然完全相同的代码不能同时在 Tomcat 和 Jetty 中运行,但是它是非常相似的。当然,JavaEE 吸引人的一点是可移植性。大多数在 Tomcat 中运行的代码,无需修改就可以在 Jetty 中运行,反之亦然。因此,毫不奇怪,下一个版本的 Java Servlet 规范包括异步请求处理(即 Comet 背后的底层技术)的标准化。 我们来看看这个规范:Servlet 3.0 规范。


Servlet 3.0 规范

在此,我们不深究 Servlet 3.0 规范的全部细节,只看看 Comet servlet 如果在 Servlet 3.0 容器中运行,可能会是什么样子。注意 “可能” 二字。该规范已经发布公共预览版,但在撰写本文之际,还没有最终版。因此,清单 7 显示的是遵从公共预览规范的一个实现。

清单 7. Servlet 3.0 Comet
@WebServlet(asyncSupported=true, asyncTimeout=5000)
public class WeatherServlet extends HttpServlet {
   private MessageSender messageSender;

// init and destroy are the same as other
    @Override
    protected void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
    throws ServletException, IOException {
        AsyncContext async = request.startAsync(request, response);
        messageSender.setConnection(async);
        Weatherman weatherman = new Weatherman(95118, 32444);
        async.start(weatherman);;
    }
}

值得高兴的是,这个版本要简单得多。平心而论,如果不遵从 Tomcat 的事件模型,在 Jetty 中可以有类似的实现。这种事件模型似乎比较合理,很容易在 Tomcat 以外的容器(例如 Jetty)中实现,只是没有相关的标准。

回头看看清单 7,注意它的标注声明它支持异步处理,并设置了超时时间。startAsync 方法是 HttpServletRequest 上的一个新方法,它返回新的 javax.servlet.AsyncContext 类的一个实例。注意,MessageSender 现在传递 AsynContext 的引用,而不是 ServletResponse 的引用。在这里,不应该关闭响应,而是调用 AsyncContext 实例上的 complete 方法。还应注意,Weatherman 被直接传递到 AsyncContext 实例的 start 方法。这样将在当前 ServletContext 中开始一个新线程。

而且,尽管与 Tomcat 或 Jetty 相比都有较大的不同,但是修改相同风格的编程来处理 Servlet 3.0 规范提议的 API 并不是太难。还应注意,Jetty 7 是为实现 Servlet 3.0 而设计的,目前处于 beta 状态。但是,在撰写本文之际,它还没有实现该规范的最新版本。


结束语

Comet 风格的 Web 应用程序可以为 Web 带来全新的交互性。它为大规模地实现这些特性带来一些复杂的挑战。但是,领先的 Java Web 服务器正在为实现 Comet 提供成熟、稳定的技术。在本文中,您看到了 Tomcat 和 Jetty 上当前风格的 Comet 的不同点和相似点,以及正在进行的 Servlet 3.0 规范的标准化。Tomcat 和 Jetty 使如今构建可伸缩的 Comet 应用程序成为可能,并且明确了未来面向 Servlet 3.0 标准化的升级路线。


下载

描述名字大小
Weather Server 源代码WeatherServer.zip347KB

参考资料

学习

获得产品和技术

  • 本文使用了 JDK 1.5.0-16
  • Jetty:本文使用的是 Jetty 6.1.14。
  • Tomcat:本文使用的是 Tomcat 6.0.14。
  • 下载 IBM 产品评估版,获得来自 DB2®、 Lotus®、Rational®、Tivoli® 和 WebSphere® 的应用程序开发工具和中间件产品。

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Zone=Web development, Java technology
ArticleID=415817
ArticleTitle=使用 Java 实现 Comet 风格的 Web 应用
publish-date=07222009