BlackHole开发日记-使用三种不一样IO模型实现一个DNS代理服务器

BlackHoleJ是一个DNS服务器。他的一个功能是，对于它解析不了的DNS请求，它将请求转发到另一台DNS服务器，而后再将其响应返回给客户端，起到一个DNS代理的做用。

这个功能的实现经历了三个版本，也对应了三个经典的IO模型。

###BIO模型(Blocking I/O)

BlackHoleJ代理模式最开始的IO模型，实现很简单，当client请求过来时，新建一个线程处理，而后再线程中调用DatagramChannel发送UDP包，同时阻塞等待，最后接收到结果后返回。

public byte[] forward(byte[] query) throws IOException {
	DatagramChannel dc = null;
	dc = DatagramChannel.open();
	SocketAddress address = new InetSocketAddress(configure.getDnsHost(),
			Configure.DNS_PORT);
	dc.connect(address);
	ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(512);
	bb.put(query);
	bb.flip();
	dc.send(bb, address);
	bb.clear();
	dc.receive(bb);
	bb.flip();
	byte[] copyOfRange = Arrays.copyOfRange(bb.array(), 0, 512);
	return copyOfRange;
}

其中dc.receive(bb)一步是阻塞的。由于请求外部DNS服务器每每耗时较长，因此为了达到快速响应，不得不开不少线程进行处理。同时每一个线程都须要进行轮询dc.receive(bb)是否可用，会消耗更多CPU资源。

###Select模型(I/O multiplexing)

BlackHoleJ 1.1开始使用的IO模型。由于DNS使用UDP协议，而UDP实际上是无链接的，因此全部请求以及响应复用一个DatagramChannel也毫无问题。同时预先使用DatagramChannel.bind(port)绑定某端口，那么对外部DNS服务器的转发和接收均可以使用这个端口。惟一须要作的就是经过DNS包的特征，来判断究竟是哪一个客户端的请求！而这个特征也很好选择，DNS包的headerId和question域便可知足需求。

发送方的伪代码大概是这样：

public byte[] forward(byte[] queryBytes) {
	multiUDPReceiver.putForwardAnswer(query, forwardAnswer);
	forward(queryBytes);
	forwardAnswer.getLock.getCondition().await();
	return answer.getAnswer();
}

接收方是一个独立的线程，代码大概是这样的：

public void receive() {
	ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
	while (true) {
		datagramChannel.receive(byteBuffer);
		final byte[] answer = Arrays.copyOfRange(byteBuffer.array(), 0, 512);
		getForwardAnswer(answer).setAnswer(answer);
		getForwardAnswer(answer).getLock.getCondition().notify();
	}
}

这里forwardAnswer是一个包含了响应结果和一个锁的对象(这里用到了Java的Condition.wait&notify机制，从而使阻塞线程交出控制权，避免更多CPU轮询)。还有一部分是multiUDPReceiver。这里multiUDPReceiver.putForwardAnswer(query, forwardAnswer)其实是把forwardAnswer注册到一个Map里。

这样作的好处是仅仅在一个线程检查本来的多路I/O是否就绪，也就是I/O multiplexing。这跟Linux下select模型是同样的。

###AIO模型(Asynchronous I/O)

BlackHoleJ 1.1.3-dev开始，使用了基于回调的AIO模型。这里创建了UDPConnectionResponser对象，里面封装了client的IP和来源端口号。每次收到外部DNS响应时，再根据响应内容找到这个client的IP和来源端口号，从新发送便可。

这实际上就是封装了callback的异步IO。

发送方的伪代码大概是这样：

public void forward(byte[] queryBytes) {
	multiUDPReceiver.putForwardAnswer(query, forwardAnswer);
	forward(queryBytes);
}

接收方的代码大概是这样：

public void receive() {
	ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(512);
	while (true) {
		datagramChannel.receive(byteBuffer);
		final byte[] answer = Arrays.copyOfRange(byteBuffer.array(), 0, 512);
		getForwardAnswer(answer).getResponser().response(answer);
	}
}

这里getResponser().response()直接将结果返回给客户端。

###测试：

使用queryperf进行了测试，使用AIO模型以后，仅仅单线程就达到了40000qps，比1.1.2效率高出了25%，而CPU开销却有了下降。