基于Nginx負(fù)載均衡及多線程智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計

隗超+張偉+石瀾

摘 要：鑒于Nginx服務(wù)器在負(fù)載均衡方面的優(yōu)越性能，將其運用到智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計中，可以很好地解決系統(tǒng)在大并發(fā)訪問下的性能瓶頸問題。智慧系統(tǒng)中應(yīng)用服務(wù)器來處理指令信息的中轉(zhuǎn)，有很復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，而利用Java多線程技術(shù)可以很好的處理這些業(yè)務(wù)邏輯。

關(guān)鍵詞：Nginx服務(wù)器；負(fù)載均衡；Java多線程；智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）04-0-02

0 引 言

基于底層傳感器節(jié)點采集信息的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可以大量獲取作物的生長環(huán)境參數(shù)，在Web平臺上顯示時，會有大量用戶進(jìn)行作物實時參數(shù)的查詢請求，加入Nginx負(fù)載均衡，能夠使Web服務(wù)器更好的應(yīng)對高并發(fā)的用戶訪問場景。在系統(tǒng)中，通過PC網(wǎng)站發(fā)送控制指令，經(jīng)由Web服務(wù)器傳達(dá)到應(yīng)用服務(wù)器，由應(yīng)用服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給嵌入式服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器由收指令線程和發(fā)指令線程組成，通過線程之間的同步和通信可以很好地保障指令發(fā)送的正確性，可靠性。

1 Nginx負(fù)載均衡

Nginx是Igor Sysoev使用C語言為俄羅斯門戶網(wǎng)站Rambler.ru開發(fā)的一款Web服務(wù)器。Nginx以其高性能、穩(wěn)定、功能豐富、配置簡單靈活以及內(nèi)存消耗低等特點而受到國內(nèi)外企業(yè)的廣泛青睞。

當(dāng)Nginx服務(wù)器啟動后，它將產(chǎn)生一個主進(jìn)程（Master Process），主進(jìn)程在執(zhí)行一些業(yè)務(wù)后，會產(chǎn)生一到多個工作進(jìn)程（Worker Process）。主進(jìn)程主要完成Nginx配置文件解析、模塊配置和注冊、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽生成、工作進(jìn)程生成和管理以及信號處理；工作進(jìn)程主要包括模塊調(diào)用、進(jìn)程初始化以及請求處理，是Nginx服務(wù)器運行過程中提供服務(wù)的主要工作部分。Nginx使用一個主進(jìn)程來管理多個工作進(jìn)程，通過內(nèi)存共享等進(jìn)程間通信機(jī)制實現(xiàn)Nginx的負(fù)載均衡等功能。Nginx的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

2 Java里的多線程同步機(jī)制

在多線程程式中，所有線程都是各自獨立的執(zhí)行體，但線程代碼的模式卻相同。如果這些線程協(xié)同工作，那么其線程代碼無法重入控制，因此Java提供了相應(yīng)的同步機(jī)制，從而阻止多個線程的一個或多個關(guān)鍵代碼在任意時間執(zhí)行該代碼。該機(jī)制建立在鎖的概念和監(jiān)視器基礎(chǔ)上，其中監(jiān)視器是關(guān)鍵代碼周圍的保護(hù)傘，鎖則是監(jiān)視器阻止線程進(jìn)入監(jiān)視器的軟件。其基本理念是：如果一個線程要進(jìn)入監(jiān)視器所監(jiān)視的關(guān)鍵代碼，該線程需要獲取一個與之相關(guān)的鎖；如果別的線程在使用該鎖，那么Java就會強(qiáng)制要求其在一個與鎖以及監(jiān)視器相關(guān)的區(qū)域等待；當(dāng)鎖被釋放時，Java移出等待狀態(tài)中的線程，同意其獲取鎖，并對監(jiān)視器的關(guān)鍵代碼進(jìn)行相應(yīng)處理。在Java編程過程中經(jīng)常使用Synchronized方法和Synchronized代碼塊進(jìn)行線程的同步。

2.1 Synchronized方法

把 Synchronized 的 關(guān) 鍵 字 加 入 方 法 聲 明 中以聲 明synchronized（）方法。在 synchronized（）方法中，類成員變量訪問由 synchronized（）方法控制，每個類實例都會對應(yīng)一個鎖，如果synchronized（）方法要執(zhí)行就要獲取相應(yīng)的鎖，否則會阻塞所屬線程。一旦該方法進(jìn)入執(zhí)行狀態(tài)就會獨占一個鎖，且直至其返回才會釋放。這種機(jī)制可以確保在同一時間對于每一個類實例，其聲明為Synchronized的成員函數(shù)最多只能有一個處于執(zhí)行狀態(tài)，從而避免類成員變量訪問產(chǎn)生沖突。Java中每個類都對應(yīng)一把這樣的鎖，因此要控制其訪問類的靜態(tài)成員變量，可把類的靜態(tài)成員函數(shù)聲明為 Synchronized。

2.2 Synchronized代碼塊

上述方法中，如果代碼量較多，則聲明的效率會大受影響，因此我們可以用 Synchronized塊來解決該問題。Synchronized塊中要獲取SynObject對應(yīng)的鎖才可以執(zhí)行，由于可以對任何代碼塊且上鎖的對象任意指定，因此相對 Synchronized塊方法有較高的靈活性。

3 多線程同步在系統(tǒng)中的應(yīng)用

在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，應(yīng)用服務(wù)器主要負(fù)責(zé)Web服務(wù)器發(fā)送的指令接收和指令向嵌入式服務(wù)器的發(fā)送以及上行數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫的存儲。應(yīng)用服務(wù)器的模塊構(gòu)成如圖2所示。

Web服務(wù)器的指令請求發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器，應(yīng)用服務(wù)器會通過管理模塊起一個進(jìn)程，并運行主線程來開啟指令接收的線程，同時開啟上行數(shù)據(jù)存儲線程來接收嵌入式服務(wù)器上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存儲到MySQL數(shù)據(jù)庫中。指令接收線程接收到指令數(shù)據(jù)后會啟動指令發(fā)送線程來向嵌入式服務(wù)器發(fā)送指令數(shù)據(jù)。指令接收線程和指令發(fā)送線程之間的協(xié)作通過線程的同步機(jī)制Synchronized代碼塊實現(xiàn)。為防止兩個不同線程在訪問共享資源時修改其內(nèi)容，使用了Java阻塞機(jī)制，notify（）和wait（）方法。wait（）使線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，notify（）解除阻塞狀態(tài)的線程。兩個方法的配合使用與線程同步共同作用來保證指令接收線程和指令發(fā)送線程的正確協(xié)作。

4 農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

在加入Nginx負(fù)載均衡服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器多線程后的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

在客戶端和Web服務(wù)器之間加入了負(fù)載均衡服務(wù)器，讓W(xué)eb集群分擔(dān)來自客戶端的請求訪問壓力，提高系統(tǒng)的響應(yīng)性能，增強(qiáng)用戶體驗。在應(yīng)用服務(wù)器加入多線程可以并發(fā)處理多個指令請求，以提高系統(tǒng)的處理性能。

5 結(jié) 語

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步深度發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的融合進(jìn)一步加深，智慧農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。當(dāng)越來越多的農(nóng)戶使用智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)時，對系統(tǒng)的性能就提出了更高的要求，該論文設(shè)計的系統(tǒng)可以很好地滿足該方面的需求。但隨著用戶的增加與數(shù)據(jù)的積累，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理也是必不可少的業(yè)務(wù)，而這正是該系統(tǒng)欠缺的部分。但相信隨著進(jìn)一步的設(shè)計開發(fā)，這個問題一定會得到完滿解決。

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