Java AIO初探(异步网络IO)

拼搏现实的明天。 2024-04-17 23:06 32阅读 0赞

按照《Unix网络编程》的划分，IO模型可以分为：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO，按照POSIX标准来划分只分为两类：同步IO和异步IO.

同步IO和异步IO如何区分呢？

首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作，同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO服用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO.

阻塞IO和非阻塞IO如何区分呢？

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO.

Java nio 2.0的主要改进就是引入了异步IO（包括文件和网络），这里主要介绍下异步网络IO API的使用以及框架的设计，以TCP服务端为例。首先看下为了支持AIO引入的新的类和接口：

java.nio.channels.AsynchronousChannel标记一个channel支持异步IO操作。

java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel ServerSocket的aio版本，创建TCP服务端，绑定地址，监听端口等。

java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel面向流的异步socket channel，表示一个连接。

java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup异步channel的分组管理，目的是为了资源共享。一个AsynchronousChannelGroup绑定一个线程池，这个线程池执行两个任务：处理IO事件和派发CompletionHandler. AsynchronousServerSocketChannel创建的时候可以传入一个AsynchronousChannelGroup，那么通过AsynchronousServerSocketChannel创建的AsynchronousSocketChannel将同属于一个组，共享资源。

java.nio.channels.CompletionHandler异步IO操作结果的回调接口，用于定义在IO操作完成后所作的回调工作。AIO的API允许两种方式来处理异步操作的结果：返回的Future模式或者注册CompletionHandler，我更推荐用CompletionHandler的方式，这些handler的调用是由AsynchronousChannelGroup的线程池派发的。显然，线程池的大小是性能的关键因素。AsynchronousChannelGroup允许绑定不同的线程池，通过三个静态方法来创建：

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

需要根据具体应用相应调整，从框架角度出发，需要暴露这样的配置选项给用户。

在介绍完了aio引入的TCP的主要接口和类之后，我们来设想下一个aio框架应该怎么设计。参考非阻塞nio框架的设计，一般都是采用Reactor模式，Reacot负责事件的注册、select、事件的派发；相应地，异步IO有个Proactor模式，Proactor负责CompletionHandler的派发，查看一个典型的IO写操作的流程来看两者的区别：

Reactor：  send（msg） -> 消息队列是否为空，如果为空  -> 向Reactor注册OP\_WRITE，然后返回 -> Reactor select -> 触发Writable，通知用户线程去处理 ->先注销Writable（很多人遇到的cpu 100%的问题就在于没有注销），处理Writeable，如果没有完全写入，继续注册OP\_WRITE.注意到，写入的工作还是用户线程在处理。

Proactor： send（msg） -> 消息队列是否为空，如果为空，发起read异步调用，并注册CompletionHandler，然后返回。 -> 操作系统负责将你的消息写入，并返回结果（写入的字节数）给Proactor -> Proactor派发CompletionHandler.可见，写入的工作是操作系统在处理，无需用户线程参与。事实上在aio的API中，AsynchronousChannelGroup就扮演了Proactor的角色。

CompletionHandler有三个方法，分别对应于处理成功、失败、被取消（通过返回的Future）情况下的回调处理：

public interface CompletionHandler \{

void completed（V result， A attachment）；

void failed（Throwable exc， A attachment）；

void cancelled（A attachment）；

其中的泛型参数V表示IO调用的结果，而A是发起调用时传入的attchment.

在初步介绍完aio引入的类和接口后，我们看看一个典型的tcp服务端是怎么启动的，怎么接受连接并处理读和写，这里引用的代码都是yanf4j 的aio分支中的代码，可以从svn checkout，svn地址： http://yanf4j.googlecode.com/svn/branches/yanf4j-aio

第一步，创建一个AsynchronousServerSocketChannel，创建之前先创建一个AsynchronousChannelGroup，上文提到AsynchronousServerSocketChannel可以绑定一个AsynchronousChannelGroup，那么通过这个AsynchronousServerSocketChannel建立的连接都将同属于一个AsynchronousChannelGroup并共享资源：

this.asynchronousChannelGroup = AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool（Executors.newCachedThreadPool（），this.threadPoolSize）；

然后初始化一个AsynchronousServerSocketChannel，通过open方法：

this.serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open（this.asynchronousChannelGroup）；

通过nio 2.0引入的SocketOption类设置一些TCP选项：

this.serverSocketChannel.setOption（StandardSocketOption.SO\_REUSEADDR，true）；

this.serverSocketChannel.setOption（StandardSocketOption.SO\_RCVBUF，16\*1024）；

绑定本地地址：

this.serverSocketChannel.bind（new InetSocketAddress（"localhost"，8080）， 100）；其中的100用于指定等待连接的队列大小（backlog）。

完了吗？还没有，最重要的监听工作还没开始，监听端口是为了等待连接上来以便accept产生一个AsynchronousSocketChannel来表示一个新建立的连接，因此需要发起一个accept调用，调用是异步的，操作系统将在连接建立后，将最后的结果——AsynchronousSocketChannel返回给你：

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，重复的accept调用将会抛出PendingAcceptException，后文提到的read和write也是如此。accept方法的第一个参数是你想传给CompletionHandler的attchment，第二个参数就是注册的用于回调的CompletionHandler，最后返回结果Future.你可以对future做处理，这里采用更推荐的方式就是注册一个CompletionHandler.那么accept的CompletionHandler中做些什么工作呢？

显然一个赤裸裸的AsynchronousSocketChannel是不够的，我们需要将它封装成session，一个session表示一个连接（mina里就叫IoSession了），里面带了一个缓冲的消息队列以及一些其他资源等。在连接建立后，除非你的服务器只准备接受一个连接，不然你需要在后面继续调用pendingAccept来发起另一个accept请求：

private final class AcceptCompletionHandler implements

CompletionHandler \{

@Override

public void cancelled（Object attachment）\{

logger.warn（"Accept operation was canceled"）；