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文章目錄

• Java AIO - 異步IO詳解
• • 異步IO
  • JAVA對AIO的支持
  • • JAVA AIO框架簡析
    • 代碼實例
    • 要點講解
    • 還有改進可能
  • 為什么還有Netty?

Java AIO - 異步IO詳解

主要對異步IO和Java中對AIO的支持詳解。

異步IO

阻塞式同步IO、非阻塞式同步IO、多路復用IO 這三種IO模型，以及JAVA對于這三種IO模型的支持。重點說明了IO模型是由操作系統提供支持，且這三種IO模型都是同步IO，都是采用的“應用程序不詢問我，我絕不會主動通知”的方式。

異步IO則是采用“訂閱-通知”模式: 即應用程序向操作系統注冊IO監聽，然后繼續做自己的事情。當操作系統發生IO事件，并且準備好數據后，在主動通知應用程序，觸發相應的函數:

和同步IO一樣，異步IO也是由操作系統進行支持的。微軟的windows系統提供了一種異步IO技術: IOCP(I/O Completion Port，I/O完成端口)；

Linux下由于沒有這種異步IO技術，所以使用的是epoll(上文介紹過的一種多路復用IO技術的實現)對異步IO進行模擬。

JAVA對AIO的支持

JAVA AIO框架簡析

這里通過這個結構分析要告訴各位讀者JAVA AIO中類設計和操作系統的相關性

說明JAVA AIO框架在windows下使用windows IOCP技術，在Linux下使用epoll多路復用IO技術模擬異步IO，這個從JAVA AIO框架的部分類設計上就可以看出來。例如框架中，在Windows下負責實現套接字通道的具體類是“sun.nio.ch.WindowsAsynchronousSocketChannelImpl”，其引用的IOCP類型文檔注釋如是:

/** * Windows implementation of AsynchronousChannelGroup encapsulating an I/O * completion port. */

全部完整代碼(建議從“java.nio.channels.spi.AsynchronousChannelProvider”這個類看起)。

特別說明一下，請注意圖中的“java.nio.channels.NetworkChannel”接口，這個接口同樣被JAVA NIO框架實現了，如下圖所示:

代碼實例

下面，通過一個代碼示例，來講解JAVA AIO框架的具體使用，先上代碼，在針對代碼編寫和運行中的要點進行講解:

package testASocket;import java.io.IOException; import java.io.UnsupportedEncodingException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup; import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel; import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel; import java.nio.channels.CompletionHandler; import java.util.concurrent.ExecutorService; import java.util.concurrent.Executors;import org.apache.commons.logging.Log; import org.apache.commons.logging.LogFactory; import org.apache.log4j.BasicConfigurator;/*** @author yinwenjie*/ public class SocketServer {static {BasicConfigurator.configure();}private static final Object waitObject = new Object();/*** @param args* @throws Exception*/public static void main(String[] args) throws Exception {/** 對于使用的線程池技術，我一定要多說幾句* 1、Executors是線程池生成工具，通過這個工具我們可以很輕松的生成“固定大小的線程池”、“調度池”、“可伸縮線程數量的池”。具體請看API Doc* 2、當然您也可以通過ThreadPoolExecutor直接生成池。* 3、這個線程池是用來得到操作系統的“IO事件通知”的，不是用來進行“得到IO數據后的業務處理的”。要進行后者的操作，您可以再使用一個池(最好不要混用)* 4、您也可以不使用線程池(不推薦)，如果決定不使用線程池，直接AsynchronousServerSocketChannel.open()就行了。* */ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(20);AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(threadPool);final AsynchronousServerSocketChannel serverSocket = AsynchronousServerSocketChannel.open(group);//設置要監聽的端口“0.0.0.0”代表本機所有IP設備serverSocket.bind(new InetSocketAddress("0.0.0.0", 83));//為AsynchronousServerSocketChannel注冊監聽，注意只是為AsynchronousServerSocketChannel通道注冊監聽//并不包括為 隨后客戶端和服務器 socketchannel通道注冊的監聽serverSocket.accept(null, new ServerSocketChannelHandle(serverSocket));//等待，以便觀察現象(這個和要講解的原理本身沒有任何關系，只是為了保證守護線程不會退出)synchronized(waitObject) {waitObject.wait();}} }/*** 這個處理器類，專門用來響應 ServerSocketChannel 的事件。* @author yinwenjie*/ class ServerSocketChannelHandle implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void> {/*** 日志*/private static final Log LOGGER = LogFactory.getLog(ServerSocketChannelHandle.class);private AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel;/*** @param serverSocketChannel*/public ServerSocketChannelHandle(AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel) {this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;}/*** 注意，我們分別觀察 this、socketChannel、attachment三個對象的id。* 來觀察不同客戶端連接到達時，這三個對象的變化，以說明ServerSocketChannelHandle的監聽模式*/@Overridepublic void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Void attachment) {ServerSocketChannelHandle.LOGGER.info("completed(AsynchronousSocketChannel result, ByteBuffer attachment)");//每次都要重新注冊監聽(一次注冊，一次響應)，但是由于“文件狀態標示符”是獨享的，所以不需要擔心有“漏掉的”事件this.serverSocketChannel.accept(attachment, this);//為這個新的socketChannel注冊“read”事件，以便操作系統在收到數據并準備好后，主動通知應用程序//在這里，由于我們要將這個客戶端多次傳輸的數據累加起來一起處理，所以我們將一個stringbuffer對象作為一個“附件”依附在這個channel上//ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(50);socketChannel.read(readBuffer, new StringBuffer(), new SocketChannelReadHandle(socketChannel , readBuffer));}/* (non-Javadoc)* @see java.nio.channels.CompletionHandler#failed(java.lang.Throwable, java.lang.Object)*/@Overridepublic void failed(Throwable exc, Void attachment) {ServerSocketChannelHandle.LOGGER.info("failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment)");} }/*** 負責對每一個socketChannel的數據獲取事件進行監聽。<p>* * 重要的說明: 一個socketchannel都會有一個獨立工作的SocketChannelReadHandle對象(CompletionHandler接口的實現)，* 其中又都將獨享一個“文件狀態標示”對象FileDescriptor、* 一個獨立的由程序員定義的Buffer緩存(這里我們使用的是ByteBuffer)、* 所以不用擔心在服務器端會出現“竄對象”這種情況，因為JAVA AIO框架已經幫您組織好了。<p>* * 但是最重要的，用于生成channel的對象: AsynchronousChannelProvider是單例模式，無論在哪組socketchannel，* 對是一個對象引用(但這沒關系，因為您不會直接操作這個AsynchronousChannelProvider對象)。* @author yinwenjie*/ class SocketChannelReadHandle implements CompletionHandler<Integer, StringBuffer> {/*** 日志*/private static final Log LOGGER = LogFactory.getLog(SocketChannelReadHandle.class);private AsynchronousSocketChannel socketChannel;/*** 專門用于進行這個通道數據緩存操作的ByteBuffer<br>* 當然，您也可以作為CompletionHandler的attachment形式傳入。<br>* 這是，在這段示例代碼中，attachment被我們用來記錄所有傳送過來的Stringbuffer了。*/private ByteBuffer byteBuffer;public SocketChannelReadHandle(AsynchronousSocketChannel socketChannel , ByteBuffer byteBuffer) {this.socketChannel = socketChannel;this.byteBuffer = byteBuffer;}/* (non-Javadoc)* @see java.nio.channels.CompletionHandler#completed(java.lang.Object, java.lang.Object)*/@Overridepublic void completed(Integer result, StringBuffer historyContext) {//如果條件成立，說明客戶端主動終止了TCP套接字，這時服務端終止就可以了if(result == -1) {try {this.socketChannel.close();} catch (IOException e) {SocketChannelReadHandle.LOGGER.error(e);}return;}SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("completed(Integer result, Void attachment) : 然后我們來取出通道中準備好的值");/** 實際上，由于我們從Integer result知道了本次channel從操作系統獲取數據總長度* 所以實際上，我們不需要切換成“讀模式”的，但是為了保證編碼的規范性，還是建議進行切換。* * 另外，無論是JAVA AIO框架還是JAVA NIO框架，都會出現“buffer的總容量”小于“當前從操作系統獲取到的總數據量”，* 但區別是，JAVA AIO框架中，我們不需要專門考慮處理這樣的情況，因為JAVA AIO框架已經幫我們做了處理(做成了多次通知)* */this.byteBuffer.flip();byte[] contexts = new byte[1024];this.byteBuffer.get(contexts, 0, result);this.byteBuffer.clear();try {String nowContent = new String(contexts , 0 , result , "UTF-8");historyContext.append(nowContent);SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("================目前的傳輸結果: " + historyContext);} catch (UnsupportedEncodingException e) {SocketChannelReadHandle.LOGGER.error(e);}//如果條件成立，說明還沒有接收到“結束標記”if(historyContext.indexOf("over") == -1) {return;}//=========================================================================// 和上篇文章的代碼相同，我們以“over”符號作為客戶端完整信息的標記//=========================================================================SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("=======收到完整信息，開始處理業務=========");historyContext = new StringBuffer();//還要繼續監聽(一次監聽一次通知)this.socketChannel.read(this.byteBuffer, historyContext, this);}/* (non-Javadoc)* @see java.nio.channels.CompletionHandler#failed(java.lang.Throwable, java.lang.Object)*/@Overridepublic void failed(Throwable exc, StringBuffer historyContext) {SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("=====發現客戶端異常關閉，服務器將關閉TCP通道");try {this.socketChannel.close();} catch (IOException e) {SocketChannelReadHandle.LOGGER.error(e);}} }

要點講解

注意在JAVA NIO框架中，說到了一個重要概念“selector”(選擇器)。它負責代替應用查詢中所有已注冊的通道到操作系統中進行IO事件輪詢、管理當前注冊的通道集合，定位發生事件的通道等操操作；但是在JAVA AIO框架中，由于應用程序不是“輪詢”方式，而是訂閱-通知方式，所以不再需要“selector”(選擇器)了，改由channel通道直接到操作系統注冊監聽。

JAVA AIO框架中，只實現了兩種網絡IO通道“AsynchronousServerSocketChannel”(服務器監聽通道)、“AsynchronousSocketChannel”(socket套接字通道)。但是無論哪種通道他們都有獨立的fileDescriptor(文件標識符)、attachment(附件，附件可以使任意對象，類似“通道上下文”)，并被獨立的SocketChannelReadHandle類實例引用。我們通過debug操作來看看它們的引用結構:

在測試過程中，啟動了兩個客戶端(客戶端用什么語言來寫都行，用阻塞或者非阻塞方式也都行，只要是支持 TCP Socket套接字的就行，然后我們觀察服務器端對這兩個客戶端通道的處理情況:

可以看到，在服務器端分別為客戶端1和客戶端2創建的兩個WindowsAsynchronousSocketChannelImpl對象為:

客戶端1: WindowsAsynchronousSocketChannelImpl: 760 | FileDescriptor: 762

客戶端2: WindowsAsynchronousSocketChannelImpl: 792 | FileDescriptor: 797

接下來，讓兩個客戶端發送信息到服務器端，并觀察服務器端的處理情況?？蛻舳?發來的消息和客戶端2發來的消息，在服務器端的處理情況如下圖所示:

客戶端1: WindowsAsynchronousSocketChannelImpl: 760 | FileDescriptor: 762 | SocketChannelReadHandle: 803 | HeapByteBuffer: 808

客戶端2: WindowsAsynchronousSocketChannelImpl: 792 | FileDescriptor: 797 | SocketChannelReadHandle: 828 | HeapByteBuffer: 833

可以明顯看到，服務器端處理每一個客戶端通道所使用的SocketChannelReadHandle(處理器)對象都是獨立的，并且所引用的SocketChannel對象都是獨立的。

JAVA NIO和JAVA AIO框架，除了因為操作系統的實現不一樣而去掉了Selector外，其他的重要概念都是存在的，例如上文中提到的Channel的概念，還有演示代碼中使用的Buffer緩存方式。實際上JAVA NIO和JAVA AIO框架您可以看成是一套完整的“高并發IO處理”的實現。

還有改進可能

當然，以上代碼是示例代碼，目標是為了讓您了解JAVA AIO框架的基本使用。所以它還有很多改造的空間，例如:

在生產環境下，我們需要記錄這個通道上“用戶的登錄信息”。那么這個需求可以使用JAVA AIO中的“附件”功能進行實現。

記住JAVA AIO 和 JAVA NIO 框架都是要使用線程池的(當然您也可以不用)，線程池的使用原則，一定是只有業務處理部分才使用，使用后馬上結束線程的執行(還回線程池或者消滅它)。JAVA AIO框架中還有一個線程池，是拿給“通知處理器”使用的，這是因為JAVA AIO框架是基于“訂閱-通知”模型的，“訂閱”操作可以由主線程完成，但是您總不能要求在應用程序中并發的“通知”操作也在主線程上完成吧^_。

最好的改進方式，當然就是使用Netty或者Mina咯。

為什么還有Netty?

• 既然JAVA NIO / JAVA AIO已經實現了各主流操作系統的底層支持，那么為什么現在主流的JAVA NIO技術會是Netty和MINA呢? 答案很簡單: 因為更好用，這里舉幾個方面的例子:
• 雖然JAVA NIO 和 JAVA AIO框架提供了 多路復用IO/異步IO的支持，但是并沒有提供上層“信息格式”的良好封裝。例如前兩者并沒有提供針對 Protocol Buffer、JSON這些信息格式的封裝，但是Netty框架提供了這些數據格式封裝(基于責任鏈模式的編碼和解碼功能)
• 要編寫一個可靠的、易維護的、高性能的(注意它們的排序)NIO/AIO 服務器應用。除了框架本身要兼容實現各類操作系統的實現外。更重要的是它應該還要處理很多上層特有服務，例如: 客戶端的權限、還有上面提到的信息格式封裝、簡單的數據讀取。這些Netty框架都提供了響應的支持。
• JAVA NIO框架存在一個poll/epoll bug: Selector doesn’t block on Selector.select(timeout)，不能block意味著CPU的使用率會變成100%(這是底層JNI的問題，上層要處理這個異常實際上也好辦)。當然這個bug只有在Linux內核上才能重現。
• 這個問題在JDK 1.7版本中還沒有被完全解決: http://bugs.java.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=2147719。雖然Netty 4.0中也是基于JAVA NIO框架進行封裝的(上文中已經給出了Netty中NioServerSocketChannel類的介紹)，但是Netty已經將這個bug進行了處理。
• 其他原因，用過Netty后，可以自己進行比較了。

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總結

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