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

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)生一個主進程（Master Process），主進程在執(zhí)行一些業(yè)務(wù)后，會產(chǎn)生一到多個工作進程（Worker Process）。主進程主要完成 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、工作進程生成和管理以及信號處理 ；工作進程主要包括模塊調(diào)用、進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 使用一個主進程來管理多個工作進程，通過內(nèi)存共享等進程間通信機制實現(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)鍵代碼周圍的保護傘，鎖則是監(jiān)視器阻止線程進入監(jiān)視器的軟件。其基本理念是 ：如果一個線程要進入監(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 阻塞機制，notify（） 和 wait（）方法。wait（）使線程進入阻塞狀態(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 Web 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。但相信隨著進一步的設(shè)計開發(fā)，這個問題一定會得 到完滿解決。