按照《Unix網絡編程》的劃分，IO模型可以分為：阻塞IO、非阻塞IO、IO復用、信號驅動IO和異步IO，按照POSIX標準來劃分只分為兩類：同步IO和異步IO。如何區分呢？首先一個IO操作其實分成了兩個步驟：發起IO請求和實際的IO操作，同步IO和異步IO的區別就在于第二個步驟是否阻塞，如果實際的IO讀寫阻塞請求進程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO服用、信號驅動IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系統幫你做完IO操作再將結果返回給你，那么就是異步IO。阻塞IO和非阻塞IO的區別在于第一步，發起IO請求是否會被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是傳統的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

Java nio 2.0的主要改進就是引入了異步IO（包括文件和網絡），這里主要介紹下異步網絡IO API的使用以及框架的設計，以TCP服務端為例。首先看下為了支持AIO引入的新的類和接口：

java.nio.channels.AsynchronousChannel

標記一個channel支持異步IO操作。

java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel

ServerSocket的aio版本，創建TCP服務端，綁定地址，監聽端口等。

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，這個線程池執行兩個任務：處理IO事件和派發CompletionHandler。AsynchronousServerSocketChannel創建的時候可以傳入一個 AsynchronousChannelGroup，那么通過AsynchronousServerSocketChannel創建的 AsynchronousSocketChannel將同屬于一個組，共享資源。

java.nio.channels.CompletionHandler

異步IO操作結果的回調接口，用于定義在IO操作完成后所作的回調工作。AIO的API允許兩種方式來處理異步操作的結果：返回的Future模式或者注冊CompletionHandler，我更推薦用CompletionHandler的方式，這些handler的調用是由 AsynchronousChannelGroup的線程池派發的。顯然，線程池的大小是性能的關鍵因素。AsynchronousChannelGroup允許綁定不同的線程池，通過三個靜態方法來創建：

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 

需要根據具體應用相應調整，從框架角度出發，需要暴露這樣的配置選項給用戶。

在介紹完了aio引入的TCP的主要接口和類之后，我們來設想下一個aio框架應該怎么設計。參考非阻塞nio框架的設計，一般都是采用Reactor模式，Reacot負責事件的注冊、select、事件的派發；相應地，異步IO有個Proactor模式，Proactor負責 CompletionHandler的派發，查看一個典型的IO寫操作的流程來看兩者的區別：

Reactor: send(msg) -> 消息隊列是否為空，如果為空 -> 向Reactor注冊OP_WRITE，然后返回 -> Reactor select -> 觸發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，繼續注冊OP_WRITE。注意到，寫入的工作還是用戶線程在處理。

Proactor: send(msg) -> 消息隊列是否為空，如果為空,發起read異步調用，并注冊CompletionHandler，然后返回。 -> 操作系統負責將你的消息寫入，并返回結果（寫入的字節數）給Proactor -> Proactor派發CompletionHandler?？梢姡瑢懭氲墓ぷ魇遣僮飨到y在處理，無需用戶線程參與。事實上在aio的API 中,AsynchronousChannelGroup就扮演了Proactor的角色。

CompletionHandler有三個方法，分別對應于處理成功、失敗、被取消（通過返回的Future)情況下的回調處理：

public interface CompletionHandler<V,A> {  
 
     void completed(V result, A attachment);  
 
    void failed(Throwable exc, A attachment);  
 
     
    void cancelled(A attachment);  
} 

其中的泛型參數V表示IO調用的結果，而A是發起調用時傳入的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，創建一個AsynchronousServerSocketChannel，創建之前先創建一個 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類設置一些TCP選項：

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列大小(backlog)。完了嗎？還沒有，最重要的監聽工作還沒開始，監聽端口是為了等待連接上來以便accept產生一個AsynchronousSocketChannel來表示一個新建立的連接，因此需要發起一個accept調用，調用是異步的，操作系統將在連接建立后，將最后的結果——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，重復的accept調用將會拋出PendingAcceptException，后文提到的read和write也是如此。accept方法的第一個參數是你想傳給CompletionHandler的attchment，第二個參數就是注冊的用于回調的CompletionHandler，最后返回結果Future<AsynchronousSocketChannel>。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列以及一些其他資源等。在連接建立后，除非你的服務器只準備接受一個連接，不然你需要在后面繼續調用pendingAccept來發起另一個accept請求：

private final class AcceptCompletionHandler implements 
            CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {  
 
        @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 {  
                <strong>pendingAccept</strong>();  
            }  
        }  
 
        @Override 
        public void failed(Throwable exc, Object attachment) {  
            logger.error("Accept error", exc);  
            try {  
                notifyException(exc);  
            } finally {  
                <strong>pendingAccept</strong>();  
            }  
        }  
    } 

注意到了吧，我們在failed和completed方法中在最后都調用了pendingAccept來繼續發起accept調用，等待新的連接上來。有的同學可能要說了，這樣搞是不是遞歸調用，會不會堆棧溢出？實際上不會，因為發起accept調用的線程與CompletionHandler回調的線程并非同一個，不是一個上下文中，兩者之間沒有耦合關系。要注意到，CompletionHandler的回調共用的是 AsynchronousChannelGroup綁定的線程池，因此千萬別在CompletionHandler回調方法中調用阻塞或者長時間的操作，例如sleep，回調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OP_READ事件等待socket可讀。異步IO也同樣如此，連接建立后馬上發起一個異步read調用，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調用與AsynchronousServerSocketChannel的accept調用類似，同樣是非阻塞的，返回結果也是一個Future，但是寫的結果是整數，表示寫入了多少字節，因此read調用返回的是 Future<Integer>，方法的第一個參數是讀的緩沖區，操作系統將IO讀到數據拷貝到這個緩沖區，第二個參數是傳遞給 CompletionHandler的attchment，第三個參數就是注冊的用于回調的CompletionHandler。這里保存了read的結果Future，這是為了在關閉連接的時候能夠主動取消調用，accept也是如此?，F在可以看看read的CompletionHandler的實現：

public final class ReadCompletionHandler implements 
        CompletionHandler<Integer, AbstractAioSession> {  
 
    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.close();  
            return;  
        }  
        try {  
            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，會返回失敗產生的異常，這種情況下我們就主動關閉連接，通過session.close()方法，這個方法干了兩件事情：關閉channel和取消read調用：

if (null != this.readFuture) {  
            this.readFuture.cancel(true);  
        }  
this.asynchronousSocketChannel.close(); 

在讀成功的情況下，我們還需要判斷結果result是否小于0，如果小于0就表示對端關閉了，這種情況下我們也主動關閉連接并返回。如果讀到一定字節，也就是result大于0的情況下，我們就嘗試從讀緩沖區中decode出消息，并派發給業務處理器的回調方法，最終通過pendingRead繼續發起read調用等待socket的下一次可讀。可見，我們并不需要自己去調用channel來進行IO讀，而是操作系統幫你直接讀到了緩沖區，然后給你一個結果表示讀入了多少字節，你處理這個結果即可。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用read進行實際讀操作。這里還有個需要注意的地方，就是decode出來的消息的派發給業務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中關聯一個緩沖隊列來處理，沒有完全寫入或者等待寫入的消息都存放在隊列中，隊列為空的情況下發起write調用：

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調用返回的結果與read一樣是一個Future<Integer>，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<WriteMessage> 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就是實際寫入的字節數，然后我們判斷消息的緩沖區是否還有剩余，如果沒有就將消息從隊列中移除，如果隊列中還有消息，那么繼續發起write調用。

重復一下，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對于網絡層的支持已經非常完善，該有的都有了，java也已經成為服務器開發的首選語言之一。java的弱項在于對內存的管理上，由于這一切都交給了GC，因此在高性能的網絡服務器上還是Cpp的天下。java這種單一堆模型比之erlang的進程內堆模型還是有差距，很難做到高效的垃圾回收和細粒度的內存管理。

這里僅僅是介紹了aio開發的核心流程，對于一個網絡框架來說，還需要考慮超時的處理、緩沖buffer的處理、業務層和網絡層的切分、可擴展性、性能的可調性以及一定的通用性要求。

原文鏈接：http://lxy2330.iteye.com/blog/1122849

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