摘 要： 分析了鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)采用多線程技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信存在的不足，闡述了Java非阻塞I/O的基本原理。系統(tǒng)采用非阻塞I/O通信技術(shù)只使用一個線程并行實現(xiàn)大量客戶無阻塞的通信，有效地減少了系統(tǒng)開銷，較好地提升了系統(tǒng)的性能。
關(guān)鍵詞： 非阻塞I/O；遠程醫(yī)療系統(tǒng)；線程阻塞；通道
1 鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)的應(yīng)用前景
目前我國廣大的農(nóng)村地區(qū)醫(yī)療條件比較差，這些地區(qū)的大量患者因為得不到及時有效的治療，給患者以及家屬帶來了不必要的痛苦。使用網(wǎng)絡(luò)多媒體通信技術(shù)實現(xiàn)的鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)可以讓高水平的醫(yī)療專家給鄉(xiāng)村的患者進行遠程診病，以及指導(dǎo)治療與護理。鄉(xiāng)村衛(wèi)生所、鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院等醫(yī)療單位可以和具有優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的醫(yī)院或直接與專家建立醫(yī)療合作關(guān)系，雙方合作使用可視化醫(yī)療系統(tǒng)，讓專家為病人進行遠程診療服務(wù)。在鄉(xiāng)村這一端，一般由專業(yè)醫(yī)務(wù)人員指導(dǎo)病人接受專家遠程診療，醫(yī)療專家通過可視化醫(yī)療系統(tǒng)實時對病人進行診斷、處方、治療甚至指導(dǎo)手術(shù)等?；颊咭部梢栽诩抑惺褂眠h程醫(yī)療系統(tǒng)直接接受遠程專家的指導(dǎo)，尤其在處理突發(fā)性疾病時，可以在第一時間內(nèi)得到醫(yī)療專家的幫助。目前隨著生活水平的大幅度提高，不少需要“私人醫(yī)生”的人員也可以方便地使用該系統(tǒng)得到醫(yī)療專家的服務(wù)?？梢姡梢暬t(yī)療系統(tǒng)有著很廣闊的應(yīng)用市場和較好的發(fā)展前景。
2 鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)功能簡介
鄉(xiāng)村遠程醫(yī)療系統(tǒng)可以同時提供若干對醫(yī)療服務(wù)，每一對服務(wù)有2個或2個以上的客戶端進行通信?？蛻舳朔謩e由醫(yī)療專家和患者使用，醫(yī)療專家使用的客戶端稱為專家端，患者接受診療的客戶端稱為醫(yī)務(wù)端。每個客戶（醫(yī)務(wù)端和專家端）首先登錄服務(wù)器，服務(wù)器將每個登錄客戶的用戶名、IP地址等相關(guān)信息發(fā)送給相關(guān)的其他客戶，然后客戶端之間建立直接連接，并可進行文件傳送、文字和多媒體等通信。通過這種綜合的通信方式，醫(yī)療專家可以遠程為患者提供醫(yī)療服務(wù)。為了建立醫(yī)療檔案，服務(wù)器需要保存診療時間、參與人員、患者檢驗報告、病情診斷、處方等信息?；颊哌€可以通過服務(wù)器進行專家預(yù)約，專家和患者均可以在服務(wù)器上進行診療信息查詢。由于視頻信息量比較大，且保存意義不是十分大，因此并不保存在服務(wù)器上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3 使用多線程和阻塞通信模式存在的局限
可視化遠程醫(yī)療服務(wù)器需要同時為多個專家端和醫(yī)務(wù)端提供服務(wù)，在傳統(tǒng)的阻塞通信模式中使用多線程技術(shù)來處理多客戶連接，一般需要服務(wù)器為每個客戶端建立一個線程。但使用多線程技術(shù)存在以下局限：
（1）Java虛擬機會為每個線程分配獨立的堆?？臻g，工作線程數(shù)目越多，系統(tǒng)開銷就越大，而且增加了Java虛擬機調(diào)度線程的負(fù)擔(dān)，增加了線程之間同步的復(fù)雜性，提高了線程死鎖的可能性；
（2）當(dāng)主線程接收客戶連接，在醫(yī)療服務(wù)過程中，服務(wù)器從網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，線程常常進入阻塞狀態(tài)，這就使工作線程的許多時間都浪費在阻塞操作上，CPU的利用率降低，此外Java虛擬機需要頻繁地轉(zhuǎn)讓CPU的使用權(quán)。
由此可見，工作線程并不是越多越好。實驗表明，適量的工作線程會提高服務(wù)器的并發(fā)性能，但是當(dāng)工作線程的數(shù)目達到某個極限而超出系統(tǒng)的負(fù)荷時，反而會降低并發(fā)性能，使得許多客戶端得不到服務(wù)器的及時響應(yīng)。為了改善服務(wù)器性能，在遠程醫(yī)療系統(tǒng)中采用了Java非阻塞I/O通信技術(shù)。
4 Java非阻塞I/O工作原理簡介
在傳統(tǒng)的阻塞通信模式中，服務(wù)器在接受客戶連接后創(chuàng)建Socket對象與客戶進行通信，Socket對象由線程進行管理。當(dāng)有多個客戶連接時，就需要多個線程分別處理服務(wù)器與各個客戶的通信。Java非阻塞I/O通信服務(wù)器程序只需要一個線程就能夠?qū)崿F(xiàn)多個客戶端的連接、同時接收多個客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)，以及同時向多個客戶端發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。這種非阻塞通信采用了基于Channel(通道)、Selector(選擇器) 、Buffer(緩沖器)的新模式。
非阻塞I/O通信中Channel是一個接口，功能類似于傳統(tǒng)I/O中的Stream，但通道具有雙向性，既可讀入，也可寫出。SocketChannel和ServerSocketChannel均可實現(xiàn)Channel接口，它們是Socket和ServerSocket的替代類，但比Socket和ServerSocket具有更多的功能，它支持非阻塞通信、可選擇通信、異步通信和套接字對等通信等。
由于網(wǎng)絡(luò)接收和傳送數(shù)據(jù)均比較緩慢，常常導(dǎo)致線程阻塞，影響系統(tǒng)性能。在Java非阻塞通信模式中使用Buffer來緩沖數(shù)據(jù)。SocketChannel和ServerSocketChannel對象一端連接著緩沖區(qū)，另一端連接著網(wǎng)絡(luò)。
ServerSocketChannel和SocketChannel在Selector中注冊連接就緒事件、讀就緒事件和寫就緒事件。注冊時創(chuàng)建一個SelectionKey對象，這個SelectionKey對象用來跟蹤注冊事件的句柄，其中包含有注冊該對象的通道和緩沖區(qū)等信息。Selector會一直監(jiān)控已經(jīng)注冊的事件。當(dāng)通道中有數(shù)據(jù)需要讀取時，Selector中就有已注冊的讀就緒事件發(fā)生，這時調(diào)用相關(guān)的程序可將通道中的數(shù)據(jù)讀到緩沖區(qū)中，然后再提供給程序進行處理。同樣地，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時，數(shù)據(jù)先進入緩沖區(qū)，這時Selector中就發(fā)生寫就緒事件，程序再利用通道向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)[1]。
非阻塞通信模式處理流程如下：
while(檢測Selector對象，等待連接就緒事件、讀就緒事
件或?qū)懢途w事件發(fā)生) { //阻塞
if(有客戶連接)//非阻塞
接收客戶連接，創(chuàng)建SocketChannel對象與客
戶通信；
if(某個SocketChannel輸入流中有可讀數(shù)據(jù))
//非阻塞
從輸入流讀數(shù)據(jù)；
if(某個SocketChannel輸出流中有可寫數(shù)據(jù))
//非阻塞
向輸出流寫數(shù)據(jù)；
}
上述處理流程采用輪詢工作方式，當(dāng)某一種操作就緒時，執(zhí)行該操作，否則就查看是否還有其他就緒操作可以執(zhí)行，線程不會因為某一個連接、讀、寫等操作還沒有就緒，就進入阻塞狀態(tài)。在非阻塞通信模式中，只需要一個線程管理Selector對象就可以了，而不需要多線程。并且只有檢測Selector對象時才有可能導(dǎo)致線程阻塞，因此可以大大提高系統(tǒng)的性能。
5 非阻塞通信在鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用研究
在鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)中，服務(wù)器端需要和各個客戶端建立連接、接受客戶端的操作請求并將操作結(jié)果返回給客戶端。服務(wù)器只需要使用一個線程就可以處理客戶端連接請求和向各個客戶端讀寫數(shù)據(jù)，服務(wù)器自身進行的數(shù)據(jù)庫操作可以使用另外的線程。
專家端和醫(yī)務(wù)端在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中進行查詢、插入和修改等操作，這些操作信息是各種SQL語句，服務(wù)器返回給專家端和醫(yī)務(wù)端的是查詢、保存或修改結(jié)果，它們可能是一個字符串、一條記錄，也可能是多條記錄。為了方便操作，這些信息均封裝成XML格式，根標(biāo)志為<teleMedi></teleMedi>。這種格式封裝數(shù)據(jù)便于檢驗數(shù)據(jù)的完整性與正確性，也容易解析。在非阻塞通信中，除boolean類型以外，每種基本數(shù)據(jù)類型都有對應(yīng)的緩沖區(qū)類，在本系統(tǒng)中使用ByteBuffer類對象數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。程序中需要向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)前先要把字符數(shù)據(jù)編碼成字節(jié)數(shù)據(jù)，然后再由通道向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，而從網(wǎng)絡(luò)上接收的字節(jié)流數(shù)據(jù)先存放進緩沖區(qū)，解碼后再由程序處理。
在非阻塞通信模式中，一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送可能需要多次讀緩沖區(qū)，這避免了阻塞通信模式中讀取數(shù)據(jù)時間拖得過長而導(dǎo)致的線程阻塞。每次讀緩沖區(qū)后都要進行數(shù)據(jù)完整性檢查，由于采用XML格式封裝數(shù)據(jù)，所以很容易檢驗是不是讀取到了完整的數(shù)據(jù)。
鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)中每次通過網(wǎng)絡(luò)讀寫的數(shù)據(jù)長短不同。醫(yī)療中需要傳送的數(shù)據(jù)最常見的長度小于1 KB，因此緩沖區(qū)最初設(shè)定為1 KB，當(dāng)數(shù)據(jù)超過這個長度時，將緩沖區(qū)的容量擴大一倍，如果超過2 KB，再將緩沖區(qū)擴大一倍，如此類推。使用這種可伸縮的方式可以更有效地利用內(nèi)存資源。
6 非阻塞通信在鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的實現(xiàn)[2]
在非阻塞模式下，服務(wù)器主程序MedicalSever只使用一個線程，使用Selector監(jiān)控接收連接就緒事件、讀就緒事件和寫就緒事件。限于篇幅，本文僅介紹幾段主要的代碼。
（1）MedicalServer類的構(gòu)造方法負(fù)責(zé)啟動服務(wù)器，把它綁定到一個本地端口，主要代碼如下：
selector=Selector.open();//創(chuàng)建一個Selector對象
ssChannel=ServerSocketChannel.open();
//創(chuàng)建ServerSocketChannel對象
ssChannel.configureBlocking(false);
//設(shè)置ServerSocketChannel為阻塞工作模式
ssChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(port));
//綁定到本地端口
（2）MedicalSever類的serve()方法負(fù)責(zé)輪詢Selector，主要代碼如下：
public void serve() throws IOException{
ssChannel.register(selector,SelectorKey.OP_ACCEPT);
//在Selector中注冊連接就緒事件
while(selector.select()>0){
Set readyKeys=selector.selectedKeys();
//獲取Selector中就緒事件集合
Iterator it=readyKeys.iterator();
while(it.hasNext()){
SelectorKey key=null;
try{
key=(SelectionKey)it.next();
//獲取某個就緒事件
it.remove();//獲取就緒事件后刪除
if(key.isReadable()){處理連接就緒事件}
if(key.isReadable()){處理讀就緒事件}
if(key.isWritable()){處理寫就緒事件}
}catch(IOException e){ }}}
（3）處理連接就緒事件方法中的主要代碼如下：
ServerSocketChannel ssc=(ServerSocketChannel)key.channel();
SocketChannel sChannel=(SocketChannel)ssc.accept();
//獲取關(guān)系的SocketChannel
socketChannel.configureBlocking(false);
//將SocketChannel設(shè)置為非阻塞模式
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);//分配緩沖區(qū)
socketChannel.register(selector,SelectorKey.OP_READ|
SelectionKey.OP_WRITER,buffer);
//注冊讀就緒和寫就緒事件
（4）處理讀就緒事件方法中的主要代碼如下：
public void receive(SelectionKey key)throws IOException{
ByteBuffer sBuffer=(ByteBuffer)key.attachment();
//獲取與SelectorKey綁定的緩沖區(qū)
SocketChannel sChannel=
(SocketChannel)key.channel();//獲得通道
ByteBuffer buff=ByteBuffer.allocate(1024)
//創(chuàng)建輔助緩沖區(qū)
sChannel.read(buff);//從通道中讀數(shù)據(jù)暫存到buff中
sBuffer.put(buff); }//把buff中的內(nèi)容拷貝到緩沖區(qū)
在非阻塞模式下，sChannel.read(buff)方法無法保證一次把全部數(shù)據(jù)都讀完，因此只好把每次讀到的數(shù)據(jù)先存放到buff中，并判斷每次讀到的數(shù)據(jù)是否以</teleMedi>結(jié)尾，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取完整了，再復(fù)制到sBuffer中提交給程序。
（5）處理寫就緒事件方法中的主要代碼如下：
public void send(SelectionKey key)throws IOExceptio{
ByteBuffer sBuffer=(ByteBuffer)key.attachment();
//獲取需要發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)
SocketChannel sChannel=(SocketChannel)key.channel();
synchronized(sBuffer)
{ sBuffer.flip();//將緩沖當(dāng)前的位置值設(shè)為
極限，將位置設(shè)為0，為下一步復(fù)制數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備
sChannel.write(sBuffer);//發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)
sChannel.compact();}//刪除已發(fā)送的數(shù)據(jù)
（6）當(dāng)每個緩沖區(qū)容量不夠時，需要擴大緩沖區(qū)，主要代碼如下：
protected void resizeBuffer(ByteBuffer bb)
{ if(bb.remaining()<10){//判斷剩余容量是否
小于10 B
ByteBuffer bBuffer=ByteBuffer.allocate(bb.capacity()*2);
//容量擴大一倍
bb.flip();
bBuffer.put(bb);//把原緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)復(fù)制到
新緩沖區(qū)中
bb=bBuffer;}}
鄉(xiāng)村可視化遠程醫(yī)療系統(tǒng)中使用Java非阻塞I/O通信技術(shù)，可以只使用一個主線程就能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、讀和寫操作，避免了多線程中讀或?qū)懸鸬木€程阻塞，大幅降低了服務(wù)器應(yīng)用程序的開銷，有效地提高了系統(tǒng)的性能。
參考文獻
[1] 吳易，王凌.Java技術(shù)在P2P環(huán)境下的應(yīng)用[J].微計算機信息，2005(3)：154-155.
[2] JavaTM Platform Standard Edition 6 API Specification[S]. http://download.oracle.com/javase/6/docs/api/.