按照《Unix網(wǎng)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(qū)分呢？首先一個IO操作其實分成了兩個步驟：發(fā)起IO請求和實際的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(tǒng)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(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的主要改進就是引入了異步IO（包括文件和網(wǎng)絡），這里主要介紹下異步網(wǎng)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(chuàng)建TCP服務端，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：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：
Java代碼
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)具體應用相應調(diào)整，從框架角度出發(fā)，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(fā)；相應地，異步IO有個Proactor模式，Proactor負責 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) -> 消息隊列是否為空，如果為空 -> 向Reactor注冊OP_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(fā)起read異步調(diào)用，并注冊CompletionHandler，然后返回。 -> 操作系統(tǒng)負責將你的消息寫入，并返回結果（寫入的字節(jié)數(shù)）給Proactor -> Proactor派發(fā)CompletionHandler?？梢?，寫入的工作是操作系統(tǒng)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(diào)處理：
Java代碼
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(shù)V表示IO調(diào)用的結果，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：
Java代碼
this.asynchronousChannelGroup = AsynchronousChannelGroup
.withCachedThreadPool(Executors.newCachedThreadPool(),
this.threadPoolSize);
然后初始化一個AsynchronousServerSocketChannel，通過open方法：
Java代碼
this.serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel
.open(this.asynchronousChannelGroup);
通過nio 2.0引入的SocketOption類設置一些TCP選項：
Java代碼
this.serverSocketChannel
.setOption(
StandardSocketOption.SO_REUSEADDR,true);
this.serverSocketChannel
.setOption(
StandardSocketOption.SO_RCVBUF,16*1024);
綁定本地地址：
Java代碼
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(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，將最后的結果——AsynchronousSocketChannel返回給你：
Java代碼
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(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(xù)調(diào)用pendingAccept來發(fā)起另一個accept請求：
Java代碼
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(diào)用了pendingAccept來繼續(xù)發(fā)起accept調(diào)用，等待新的連接上來。有的同學可能要說了，這樣搞是不是遞歸調(diào)用，會不會堆棧溢出？實際上不會，因為發(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CompletionHandler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(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：
Java代碼
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，返回結果也是一個Future，但是寫的結果是整數(shù)，表示寫入了多少字節(jié)，因此read調(diào)用返回的是 Future<Integer>，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的結果Future，這是為了在關閉連接的時候能夠主動取消調(diào)用，accept也是如此?，F(xiàn)在可以看看read的CompletionHandler的實現(xiàn)：
Java代碼
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(chǎn)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(diào)用：
Java代碼
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(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?？梢姡覀儾⒉恍枰约喝フ{(diào)用channel來進行IO讀，而是操作系統(tǒng)幫你直接讀到了緩沖區(qū)，然后給你一個結果表示讀入了多少字節(jié)，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(diào)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(fā)給業(yè)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(lián)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(fā)起write調(diào)用：
Java代碼
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：
Java代碼
@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(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列中移除，如果隊列中還有消息，那么繼續(xù)發(fā)起write調(diào)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(wǎng)絡層的支持已經(jīng)非常完善，該有的都有了，java也已經(jīng)成為服務器開發(fā)的首選語言之一。java的弱項在于對內(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(nèi)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(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)絡框架來說，還需要考慮超時的處理、緩沖buffer的處理、業(yè)務層和網(wǎng)絡層的切分、可擴展性、性能的可調(diào)性以及一定的通用性要求。
