使用 Undertow WebSockets 高效发送大型数据集

Question

我有一个大的 ConcurrentHashMap (cache.getCache())，其中保存了我的所有数据（大约 500+ MB 大小，但随着时间的推移会增长）。客户端可以通过使用普通 java HttpServer 实现的 API 访问它。 这是简化的代码：

JsonWriter jsonWriter = new JsonWriter(new OutputStreamWriter(new BufferedOutputStream(new GZIPOutputStream(exchange.getResponseBody())))));
new GsonBuilder().create().toJson(cache.getCache(), CacheContainer.class, jsonWriter);

还有一些客户端发送的过滤器，因此它们实际上并没有每次都获取所有数据，但是 HashMap 会不断更新，因此客户端必须经常刷新才能获得最新数据。这是低效的，所以我决定使用 WebSockets 将数据更新实时推送到客户端。

为此我选择了 Undertow，因为我可以简单地从 Maven 导入它，而且我不需要在服务器上进行额外的配置。

在 WS 连接上，我将通道添加到 HashSet 并发送整个数据集（客户端在获取初始数据之前发送带有一些过滤器的消息，但我从示例中删除了这部分）：

public class MyConnectionCallback implements WebSocketConnectionCallback {
  CacheContainer cache;
  Set<WebSocketChannel> clients = new HashSet<>();
  BlockingQueue<String> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

  public MyConnectionCallback(CacheContainer cache) {
    this.cache = cache;
    Thread pusherThread = new Thread(() -> {
      while (true) {
        push(queue.take());
      }
    });
    pusherThread.start();
  }

  public void onConnect(WebSocketHttpExchange webSocketHttpExchange, WebSocketChannel webSocketChannel) {
    webSocketChannel.getReceiveSetter().set(new AbstractReceiveListener() {
      protected void onFullTextMessage(WebSocketChannel channel, BufferedTextMessage message) {
        clients.add(webSocketChannel);
        WebSockets.sendText(gson.toJson(cache.getCache()), webSocketChannel, null);
      }
    }
  }

  private void push(String message) {
    Set<WebSocketChannel> closed = new HashSet<>();
    clients.forEach((webSocketChannel) -> {
        if (webSocketChannel.isOpen()) {
            WebSockets.sendText(message, webSocketChannel, null);
        } else {
            closed.add(webSocketChannel);
        }
    }
    closed.foreach(clients::remove);
  }

  public void putMessage(String message) {
    queue.put(message);
  }
}

每次更改缓存后，我都会获取新值并将其放入队列中（我不直接序列化 myUpdate 对象，因为在 updateCache 方法中还有其他逻辑）。只有一个线程负责更新缓存：

cache.updateCache(key, myUpdate);
Map<Key,Value> tempMap = new HashMap<>();
tempMap.put(key, cache.getValue(key));
webSocketServer.putMessage(gson.toJson(tempMap));

我用这种方法看到的问题：

1. 在初始连接时，整个数据集被转换为字符串，我担心过多的请求会导致服务器 OOM。 WebSockets.sendText 只接受 String 和 ByteBuffer
2. 如果我先将通道添加到客户端设置然后发送数据，则可能在发送初始数据之前推送到客户端，客户端将处于无效状态
3. 如果我先发送初始数据，然后将通道添加到客户端集合中，那么在发送初始数据过程中来的推送消息将丢失，客户端将处于无效状态

我为问题 #2 和 #3 提出的解决方案是将消息放入队列中（我会将 Set<WebSocketChannel> 转换为 Map<WebSocketChannel,Queue<String>> 并仅在客户端收到初始消息后将消息发送到队列中数据集，但我欢迎在这里提出任何其他建议。

至于问题 #1，我的问题是通过 WebSocket 发送初始数据的最有效方式是什么？例如，使用 JsonWriter 直接写入 WebSocket。

我意识到客户端可以使用 API 进行初始调用并订阅 WebSocket 以进行更改，但是这种方法使客户端负责拥有正确的状态（他们需要订阅 WS、排队 WS 消息、获取初始数据使用 API，然后在获取初始数据后将排队的 WS 消息应用到他们的数据集），我不想把控制权交给他们，因为数据很敏感。

Answer 1

#2 和#3 的问题似乎与不同的线程能够同时向客户端发送数据状态有关。因此，除了您的方法之外，您还可以考虑其他两种同步方法。

1. 使用互斥锁来保护对数据和客户端发送的访问。这将数据的读取和发送序列化到客户端，因此（伪）代码变为：

protected void onFullTextMessage(...) {
   LOCK {
     clients.add(webSocketChannel);
     WebSockets.sendText(gson.toJson(cache.getCache()), webSocketChannel, null);
   }
}

void push(String message) {
    Set<WebSocketChannel> closed = new HashSet<>();
    LOCK {
      clients.forEach((webSocketChannel) -> {
          if (webSocketChannel.isOpen()) {
              WebSockets.sendText(message, webSocketChannel, null);
          } else {
              closed.add(webSocketChannel);
          }
      }
    }
    closed.foreach(clients::remove);
}

1. 创建一个新的类和服务线程，该线程单独负责管理对数据缓存的更改并将这些更改推送到客户端；它将使用内部同步队列来异步处理方法调用，并跟踪已连接的客户端，它将具有如下接口：

public void update_cache(....);
public void add_new_client(WebSocketChannel);

...这些调用中的每一个都将要在对象内部线程上完成的操作排入队列。这保证了初始快照和更新的顺序，因为只有一个线程负责更改缓存并将这些更改传播给订阅者。

至于 #1，如果您使用方法 #2，那么您可以缓存数据的序列化状态，以便在以后的快照中重用（前提是它同时没有被更改）。如评论中所述：这仅在以后的客户端具有相同的过滤器配置时才有效。

Answer 2

为了解决问题 #2 和 #3，我在每个客户端上设置了一个推送锁定标志，该标志仅在发送初始数据时解锁。设置推送锁后，到达的消息将放置在该客户端队列中。然后在任何新消息之前发送排队的消息。

我通过直接使用 ByteBuffer 而不是 String 来缓解问题 #1。这样我可以因为编码节省一些内存（字符串默认使用 UTF-16）

最终代码：

public class WebSocketClient {
  private boolean pushLock;
  private Gson gson;
  private Queue<CacheContainer> queue = new ConcurrentLinkedQueue<>();

  WebSocketClient(MyQuery query, CacheHandler cacheHandler) {
    pushLock = true;
    this.gson = GsonFactory.getGson(query, cacheHandler);
  }

  public synchronized boolean isPushLock() {
    return pushLock;
  }

  public synchronized void pushUnlock() {
    pushLock = false;
  }

  public Gson getGson() {
    return gson;
  }

  public Queue<CacheContainer> getQueue() {
    return queue;
  }

  public boolean hasBackLog() {
    return !queue.isEmpty();
  }
}

public class MyConnectionCallback implements WebSocketConnectionCallback {

  private final Map<WebSocketChannel, WebSocketClient> clients = new ConcurrentHashMap<>();
  private final BlockingQueue<CacheContainer> messageQueue = new LinkedBlockingQueue<>();

  private final Gson queryGson = new GsonBuilder().disableHtmlEscaping().create();

  private final CacheHandler cacheHandler;

  MyConnectionCallback(CacheHandler cacheHandler) {
    this.cacheHandler = cacheHandler;
    Thread pusherThread = new Thread(() -> {
      boolean hasPushLock = false;
      while (true) {
        if (messageQueue.isEmpty() && hasPushLock) hasPushLock = pushToAllClients(null);
        else hasPushLock = pushToAllClients(messageQueue.take());
      }
    }, "PusherThread");
    pusherThread.start();
  }

  @Override
  public void onConnect(WebSocketHttpExchange webSocketHttpExchange, WebSocketChannel webSocketChannel) {
    webSocketChannel.getReceiveSetter().set(new AbstractReceiveListener() {
      @Override
      protected void onFullTextMessage(WebSocketChannel channel, BufferedTextMessage message) throws IOException {
        MyQuery query = new MyQuery(queryGson.fromJson(message.getData(), QueryJson.class));
        WebSocketClient clientConfig = new WebSocketClient(query, cacheHandler);
        clients.put(webSocketChannel, clientConfig);
        push(webSocketChannel, clientConfig.getGson(), cacheHandler.getCache());
        clientConfig.pushUnlock();
        }
    });
    webSocketChannel.resumeReceives();
  }

  void putMessage(CacheContainer message) {
    messageQueue.put(message);
  }

  private synchronized void push(WebSocketChannel webSocketChannel, Gson gson, CacheContainer message) throws IOException {
    try (ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
      JsonWriter jsonWriter = new JsonWriter(new OutputStreamWriter(baos, StandardCharsets.UTF_8))) {
      gson.toJson(message, CacheContainer.class, jsonWriter);
      jsonWriter.flush();
      if (baos.size() > 2) {
        WebSockets.sendText(ByteBuffer.wrap(baos.toByteArray()), webSocketChannel, null);
      }
    }
  }

  private synchronized boolean pushToAllClients(CacheContainer message) {
    AtomicBoolean hadPushLock = new AtomicBoolean(false);
    Set<WebSocketChannel> closed = new HashSet<>();

    clients.forEach((webSocketChannel, clientConfig) -> {
      if (webSocketChannel.isOpen()) {
        if (clientConfig.isPushLock()) {
          hadPushLock.set(true);
          clientConfig.getQueue().add(message);
        } else {
          try {
            if (clientConfig.hasBackLog())
              pushBackLog(webSocketChannel, clientConfig);
            if (message != null)
              push(webSocketChannel, clientConfig.getGson(), message);
          } catch (Exception e) {
            closeChannel(webSocketChannel, closed);
          }
        }
      } else {
        closed.add(webSocketChannel);
      }
    });

    closed.forEach(clients::remove);
    return hadPushLock.get();
  }

  private void pushBackLog(WebSocketChannel webSocketChannel, WebSocketClient clientConfig) throws IOException {
    while (clientConfig.hasBackLog()) {
      push(webSocketChannel, clientConfig.getGson(), clientConfig.getQueue().poll());
    }
  }

  private void closeChannel(WebSocketChannel channel, Set<WebSocketChannel> closed) {
    closed.add(channel);
    channel.close();
  }
}