Java AIO初探(異步網(wǎng)絡(luò)IO)
按照《Unix網(wǎng)絡(luò)編程》的劃分，IO模型可以分為：阻塞IO、非阻塞IO、IO復(fù)用、信號驅(qū)動IO和異步IO，按照POSIX標(biāo)準(zhǔn)來劃分只分為兩類：同步IO和異步IO.如何區(qū)分呢？首先一個IO操作其實(shí)分成了兩個步驟：發(fā)起IO請求和實(shí)際的IO操作，同步IO和異步IO的區(qū)別就在于第二個步驟是否阻塞，如果實(shí)際的IO讀寫阻塞請求進(jìn)程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO服用、信號驅(qū)動IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系統(tǒng)幫你做完IO操作再將結(jié)果返回給你，那么就是異步IO.阻塞IO和非阻塞IO的區(qū)別在于第一步，發(fā)起IO請求是否會被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是傳統(tǒng)的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO.
Java nio 2.0的主要改進(jìn)就是引入了異步IO（包括文件和網(wǎng)絡(luò)），這里主要介紹下異步網(wǎng)絡(luò)IO API的使用以及框架的設(shè)計(jì)，以TCP服務(wù)端為例。首先看下為了支持AIO引入的新的類和接口：
java.nio.channels.AsynchronousChannel標(biāo)記一個channel支持異步IO操作。
java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel ServerSocket的aio版本，創(chuàng)建TCP服務(wù)端，綁定地址，監(jiān)聽端口等。
java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel面向流的異步socket channel，表示一個連接。
java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup異步channel的分組管理，目的是為了資源共享。一個AsynchronousChannelGroup綁定一個線程池，這個線程池執(zhí)行兩個任務(wù)：處理IO事件和派發(fā)CompletionHandler.AsynchronousServerSocketChannel創(chuàng)建的時候可以傳入一個AsynchronousChannelGroup，那么通過AsynchronousServerSocketChannel創(chuàng)建的AsynchronousSocketChannel將同屬于一個組，共享資源。
java.nio.channels.CompletionHandler異步IO操作結(jié)果的回調(diào)接口，用于定義在IO操作完成后所作的回調(diào)工作。AIO的API允許兩種方式來處理異步操作的結(jié)果：返回的Future模式或者注冊CompletionHandler，我更推薦用CompletionHandler的方式，這些handler的調(diào)用是由AsynchronousChannelGroup的線程池派發(fā)的。顯然，線程池的大小是性能的關(guān)鍵因素。AsynchronousChannelGroup允許綁定不同的線程池，通過三個靜態(tài)方法來創(chuàng)建：public static AsynchronousChannelGroup withFixedThreadPool（int nThreads，
ThreadFactory threadFactory）
throws IOException
public static AsynchronousChannelGroup withCachedThreadPool（ExecutorService executor，
int initialSize）
public static AsynchronousChannelGroup withThreadPool（ExecutorService executor）
throws IOException
需要根據(jù)具體應(yīng)用相應(yīng)調(diào)整，從框架角度出發(fā)，需要暴露這樣的配置選項(xiàng)給用戶。
在介紹完了aio引入的TCP的主要接口和類之后，我們來設(shè)想下一個aio框架應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)。參考非阻塞nio框架的設(shè)計(jì)，一般都是采用Reactor模式，Reacot負(fù)責(zé)事件的注冊、select、事件的派發(fā)；相應(yīng)地，異步IO有個Proactor模式，Proactor負(fù)責(zé)CompletionHandler的派發(fā)，查看一個典型的IO寫操作的流程來看兩者的區(qū)別：
Reactor： send（msg） -> 消息隊(duì)列是否為空，如果為空 -> 向Reactor注冊O(shè)P_WRITE，然后返回 -> Reactor select -> 觸發(fā)Writable，通知用戶線程去處理 ->先注銷Writable（很多人遇到的cpu 100%的問題就在于沒有注銷），處理Writeable，如果沒有完全寫入，繼續(xù)注冊O(shè)P_WRITE.注意到，寫入的工作還是用戶線程在處理。
Proactor： send（msg） -> 消息隊(duì)列是否為空，如果為空，發(fā)起read異步調(diào)用，并注冊CompletionHandler，然后返回。 -> 操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)將你的消息寫入，并返回結(jié)果（寫入的字節(jié)數(shù)）給Proactor -> Proactor派發(fā)CompletionHandler.可見，寫入的工作是操作系統(tǒng)在處理，無需用戶線程參與。事實(shí)上在aio的API中，AsynchronousChannelGroup就扮演了Proactor的角色。
CompletionHandler有三個方法，分別對應(yīng)于處理成功、失敗、被取消（通過返回的Future）情況下的回調(diào)處理：
public interface CompletionHandler {
void completed（V result， A attachment）；
void failed（Throwable exc， A attachment）；
void cancelled（A attachment）；
}
其中的泛型參數(shù)V表示IO調(diào)用的結(jié)果，而A是發(fā)起調(diào)用時傳入的attchment.
在初步介紹完aio引入的類和接口后，我們看看一個典型的tcp服務(wù)端是怎么啟動的，怎么接受連接并處理讀和寫，這里引用的代碼都是yanf4j 的aio分支中的代碼，可以從svn checkout，svn地址： http://yanf4j.googlecode.com/svn/branches/yanf4j-aio
第一步，創(chuàng)建一個AsynchronousServerSocketChannel，創(chuàng)建之前先創(chuàng)建一個AsynchronousChannelGroup，上文提到AsynchronousServerSocketChannel可以綁定一個AsynchronousChannelGroup，那么通過這個AsynchronousServerSocketChannel建立的連接都將同屬于一個AsynchronousChannelGroup并共享資源：this.asynchronousChannelGroup = AsynchronousChannelGroup。withCachedThreadPool（Executors.newCachedThreadPool（），this.threadPoolSize）；然后初始化一個AsynchronousServerSocketChannel，通過open方法：this.serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel。open（this.asynchronousChannelGroup）；通過nio 2.0引入的SocketOption類設(shè)置一些TCP選項(xiàng)：this.serverSocketChannel。setOption（StandardSocketOption.SO_REUSEADDR，true）；this.serverSocketChannel。setOption（StandardSocketOption.SO_RCVBUF，16*1024）；
綁定本地地址：
this.serverSocketChannel。bind（new InetSocketAddress（"localhost"，8080）， 100）；其中的100用于指定等待連接的隊(duì)列大小（backlog）。完了嗎？還沒有，最重要的監(jiān)聽工作還沒開始，監(jiān)聽端口是為了等待連接上來以便accept產(chǎn)生一個AsynchronousSocketChannel來表示一個新建立的連接，因此需要發(fā)起一個accept調(diào)用，調(diào)用是異步的，操作系統(tǒng)將在連接建立后，將最后的結(jié)果——AsynchronousSocketChannel返回給你：
public void pendingAccept（）{
if （this.started this.serverSocketChannel.isOpen（）） { this.acceptFuture = this.serverSocketChannel.accept（null，
new AcceptCompletionHandler（））；
} else {
throw new IllegalStateException（"Controller has been closed"）；
}
注意，重復(fù)的accept調(diào)用將會拋出PendingAcceptException，后文提到的read和write也是如此。accept方法的第一個參數(shù)是你想傳給CompletionHandler的attchment，第二個參數(shù)就是注冊的用于回調(diào)的CompletionHandler，最后返回結(jié)果Future.你可以對future做處理，這里采用更推薦的方式就是注冊一個CompletionHandler.那么accept的CompletionHandler中做些什么工作呢？顯然一個赤裸裸的AsynchronousSocketChannel是不夠的，我們需要將它封裝成session，一個session表示一個連接（mina里就叫IoSession了），里面帶了一個緩沖的消息隊(duì)列以及一些其他資源等。在連接建立后，除非你的服務(wù)器只準(zhǔn)備接受一個連接，不然你需要在后面繼續(xù)調(diào)用pendingAccept來發(fā)起另一個accept請求：
private final class AcceptCompletionHandler implements
CompletionHandler {
@Override
public void cancelled（Object attachment）{
logger.warn（"Accept operation was canceled"）；
}
@Override
public void completed（AsynchronousSocketChannel socketChannel，
Object attachment）{
try {
logger.debug（"Accept connection from " + socketChannel.getRemoteAddress（））；
configureChannel（socketChannel）；
AioSessionConfig sessionConfig = buildSessionConfig（socketChannel）；
Session session = new AioTCPSession（sessionConfig，AioTCPController.this.configuration。getSessionReadBufferSize（），AioTCPController.this.sessionTimeout）；session.start（）；
registerSession（session）；
} catch（Exception e）{
e.printStackTrace（）；logger.error（"Accept error"， e）；
notifyException（e）；
} finally {
pendingAccept（）；
}
@Override
public void failed（Throwable exc， Object attachment） { logger.error（"Accept error"， exc）；
try {
notifyException（exc）；
} finally {
pendingAccept（）；
}
注意到了吧，我們在failed和completed方法中在最后都調(diào)用了pendingAccept來繼續(xù)發(fā)起accept調(diào)用，等待新的連接上來。有的同學(xué)可能要說了，這樣搞是不是遞歸調(diào)用，會不會堆棧溢出？實(shí)際上不會，因?yàn)榘l(fā)起accept調(diào)用的線程與CompletionHandler回調(diào)的線程并非同一個，不是一個上下文中，兩者之間沒有耦合關(guān)系。要注意到，CompletionHandler的回調(diào)共用的是AsynchronousChannelGroup綁定的線程池，因此千萬別在回調(diào)方法中調(diào)用阻塞或者長時間的操作，例如sleep，回調(diào)方法最好能支持超時，防止線程池耗盡。
連接建立后，怎么讀和寫呢？回憶下在nonblocking nio框架中，連接建立后的第一件事是干什么？注冊O(shè)P_READ事件等待socket可讀。異步IO也同樣如此，連接建立后馬上發(fā)起一個異步read調(diào)用，等待socket可讀，這個是Session.start方法中所做的事情：
public class AioTCPSession {
protected void start0（）{
pendingRead（）；
}
protected final void pendingRead（）{
if （！isClosed（） this.asynchronousSocketChannel.isOpen（）） { if （！this.readBuffer.hasRemaining（）） { this.readBuffer = ByteBufferUtils。increaseBufferCapatity（this.readBuffer）；
}
this.readFuture = this.asynchronousSocketChannel.read（this.readBuffer， this， this.readCompletionHandler）；
} else {
throw new IllegalStateException（
"Session Or Channel has been closed"）；
}
}
AsynchronousSocketChannel的read調(diào)用與AsynchronousServerSocketChannel的accept調(diào)用類似，同樣是非阻塞的，返回結(jié)果也是一個Future，但是寫的結(jié)果是整數(shù)，表示寫入了多少字節(jié)，因此read調(diào)用返回的是Future，方法的第一個參數(shù)是讀的緩沖區(qū)，操作系統(tǒng)將IO讀到數(shù)據(jù)拷貝到這個緩沖區(qū)，第二個參數(shù)是傳遞給CompletionHandler的attchment，第三個參數(shù)就是注冊的用于回調(diào)的CompletionHandler.這里保存了read的結(jié)果Future，這是為了在關(guān)閉連接的時候能夠主動取消調(diào)用，accept也是如此。現(xiàn)在可以看看read的CompletionHandler的實(shí)現(xiàn)：
public final class ReadCompletionHandler implements
CompletionHandler {
private static final Logger log = LoggerFactory
。getLogger（ReadCompletionHandler.class）；
protected final AioTCPController controller；
public ReadCompletionHandler（AioTCPController controller）{
this.controller = controller；
}
@Override
public void cancelled（AbstractAioSession session）{
log.warn（"Session（" + session.getRemoteSocketAddress（）
+ "）read operation was canceled"）；
}
@Override
public void completed（Integer result， AbstractAioSession session） { if （log.isDebugEnabled（））
log.debug（"Session（" + session.getRemoteSocketAddress（）
+ "）read +" + result + " bytes"）；
if（result 0）{
session.updateTimeStamp（）；session.getReadBuffer（）。flip（）；session.decode（）；session.getReadBuffer（）。compact（）；
}
} finally {
try {
session.pendingRead（）；
} catch（IOException e）{
session.onException（e）；session.close（）；
}
controller.checkSessionTimeout（）；
}
@Override
public void failed（Throwable exc， AbstractAioSession session） { log.error（"Session read error"， exc）；session.onException（exc）；session.close（）；
}
}
如果IO讀失敗，會返回失敗產(chǎn)生的異常，這種情況下我們就主動關(guān)閉連接，通過session.close（）方法，這個方法干了兩件事情：關(guān)閉channel和取消read調(diào)用：if （null ！= this.readFuture） { this.readFuture.cancel（true）；
}
this.asynchronousSocketChannel.close（）； 在讀成功的情況下，我們還需要判斷結(jié)果result是否小于0，如果小于0就表示對端關(guān)閉了，這種情況下我們也主動關(guān)閉連接并返回。如果讀到一定字節(jié)，也就是result大于0的情況下，我們就嘗試從讀緩沖區(qū)中decode出消息，并派發(fā)給業(yè)務(wù)處理器的回調(diào)方法，最終通過pendingRead繼續(xù)發(fā)起read調(diào)用等待socket的下一次可讀。可見，我們并不需要自己去調(diào)用channel來進(jìn)行IO讀，而是操作系統(tǒng)幫你直接讀到了緩沖區(qū)，然后給你一個結(jié)果表示讀入了多少字節(jié)，你處理這個結(jié)果即可。而nonblocking IO框架中，是reactor通知用戶線程socket可讀了，然后用戶線程自己去調(diào)用read進(jìn)行實(shí)際讀操作。這里還有個需要注意的地方，就是decode出來的消息的派發(fā)給業(yè)務(wù)處理器工作最好交給一個線程池來處理，避免阻塞group綁定的線程池。
IO寫的操作與此類似，不過通常寫的話我們會在session中關(guān)聯(lián)一個緩沖隊(duì)列來處理，沒有完全寫入或者等待寫入的消息都存放在隊(duì)列中，隊(duì)列為空的情況下發(fā)起write調(diào)用：
protected void write0（WriteMessage message）{
boolean needWrite = false；
synchronized （this.writeQueue） { needWrite = this.writeQueue.isEmpty（）；this.writeQueue.offer（message）；
}
if（needWrite）{
pendingWrite（message）；
}
protected final void pendingWrite（WriteMessage message）{
message = preprocessWriteMessage（message）；
if （！isClosed（） this.asynchronousSocketChannel.isOpen（）） { this.asynchronousSocketChannel.write（message.getWriteBuffer（），this， this.writeCompletionHandler）；
} else {
throw new IllegalStateException（
"Session Or Channel has been closed"）；
}
write調(diào)用返回的結(jié)果與read一樣是一個Future，而write的CompletionHandler處理的核心邏輯大概是這樣：
@Override
public void completed（Integer result， AbstractAioSession session） { if （log.isDebugEnabled（））
log.debug（"Session（" + session.getRemoteSocketAddress（）
+ "）writen " + result + " bytes"）；
WriteMessage writeMessage；
Queue writeQueue = session.getWriteQueue（）；
synchronized（writeQueue）{
writeMessage = writeQueue.peek（）；if （writeMessage.getWriteBuffer（） == null || ！writeMessage.getWriteBuffer（）。hasRemaining（）） { writeQueue.remove（）；if （writeMessage.getWriteFuture（） ！= null） { writeMessage.getWriteFuture（）。setResult（Boolean.TRUE）；
}
try {
session.getHandler（）。onMessageSent（session，writeMessage.getMessage（））；
} catch（Exception e）{
session.onException（e）；
}
writeMessage = writeQueue.peek（）；
}
if （writeMessage ！= null） {
try {
session.pendingWrite（writeMessage）；
} catch（IOException e）{
session.onException（e）；session.close（）；
}
compete方法中的result就是實(shí)際寫入的字節(jié)數(shù)，然后我們判斷消息的緩沖區(qū)是否還有剩余，如果沒有就將消息從隊(duì)列中移除，如果隊(duì)列中還有消息，那么繼續(xù)發(fā)起write調(diào)用。
重復(fù)一下，這里引用的代碼都是yanf4j aio分支中的源碼，感興趣的朋友可以直接check out出來看看： http://yanf4j.googlecode.com/svn/branches/yanf4j-aio.在引入了aio之后，java對于網(wǎng)絡(luò)層的支持已經(jīng)非常完善，該有的都有了，java也已經(jīng)成為服務(wù)器開發(fā)的首選語言之一。java的弱項(xiàng)在于對內(nèi)存的管理上，由于這一切都交給了GC，因此在高性能的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上還是Cpp的天下。java這種單一堆模型比之erlang的進(jìn)程內(nèi)堆模型還是有差距，很難做到高效的垃圾回收和細(xì)粒度的內(nèi)存管理。
這里僅僅是介紹了aio開發(fā)的核心流程，對于一個網(wǎng)絡(luò)框架來說，還需要考慮超時的處理、緩沖buffer的處理、業(yè)務(wù)層和網(wǎng)絡(luò)層的切分、可擴(kuò)展性、性能的可調(diào)性以及一定的通用性要求。