Java aio(异步网络IO)初探

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。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：

publicstaticAsynchronousChannelGroupwithFixedThreadPool(intnThreads,
ThreadFactorythreadFactory)
throwsIOException

publicstaticAsynchronousChannelGroupwithCachedThreadPool(ExecutorServiceexecutor,
intinitialSize)

publicstaticAsynchronousChannelGroupwithThreadPool(ExecutorServiceexecutor)
throwsIOException

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：

publicinterfaceCompletionHandler<V,A>{

voidcompleted(Vresult,Aattachment);

voidfailed(Throwableexc,Aattachment);


voidcancelled(Aattachment);
}

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(newInetSocketAddress("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：

publicvoidpendingAccept(){
if(this.started&&this.serverSocketChannel.isOpen()){
this.acceptFuture=this.serverSocketChannel.accept(null,
newAcceptCompletionHandler());

}else{
thrownewIllegalStateException("Controllerhasbeenclosed");
}
}

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<AsynchronousSocketChannel>。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：

privatefinalclassAcceptCompletionHandlerimplements
CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,Object>{

@Override
publicvoidcancelled(Objectattachment){
logger.warn("Acceptoperationwascanceled");
}

@Override
publicvoidcompleted(AsynchronousSocketChannelsocketChannel,
Objectattachment){
try{
logger.debug("Acceptconnectionfrom"
+socketChannel.getRemoteAddress());
configureChannel(socketChannel);
AioSessionConfigsessionConfig=buildSessionConfig(socketChannel);
Sessionsession=newAioTCPSession(sessionConfig,
AioTCPController.this.configuration
.getSessionReadBufferSize(),
AioTCPController.this.sessionTimeout);
session.start();
registerSession(session);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
logger.error("Accepterror",e);
notifyException(e);
}finally{
<strong>pendingAccept</strong>();
}
}

@Override
publicvoidfailed(Throwableexc,Objectattachment){
logger.error("Accepterror",exc);
try{
notifyException(exc);
}finally{
<strong>pendingAccept</strong>();
}
}
}

注意到了吧，我们在failed和completed方法中在最后都调用了pendingAccept来继续发起accept调用，等待新的连接上来。有的同学可能要说了，这样搞是不是递归调用，会不会堆栈溢出？实际上不会，因为发起accept调用的线程与CompletionHandler回调的线程并非同一个，不是一个上下文中，两者之间没有耦合关系。要注意到，CompletionHandler的回调共用的是 AsynchronousChannelGroup绑定的线程池，因此千万别在CompletionHandler回调方法中调用阻塞或者长时间的操作，例如sleep，回调方法最好能支持超时，防止线程池耗尽。

连接建立后，怎么读和写呢？回忆下在nonblocking nio框架中，连接建立后的第一件事是干什么？注册OP_READ事件等待socket可读。异步IO也同样如此，连接建立后马上发起一个异步read调用，等待socket可读，这个是Session.start方法中所做的事情：

publicclassAioTCPSession{
protectedvoidstart0(){
pendingRead();
}

protectedfinalvoidpendingRead(){
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{
thrownewIllegalStateException(
"SessionOrChannelhasbeenclosed");
}
}

}

AsynchronousSocketChannel的read调用与AsynchronousServerSocketChannel的accept调用类似，同样是非阻塞的，返回结果也是一个Future，但是写的结果是整数，表示写入了多少字节，因此read调用返回的是Future<Integer>，方法的第一个参数是读的缓冲区，操作系统将IO读到数据拷贝到这个缓冲区，第二个参数是传递给 CompletionHandler的attchment，第三个参数就是注册的用于回调的CompletionHandler。这里保存了read的结果Future，这是为了在关闭连接的时候能够主动取消调用，accept也是如此。现在可以看看read的CompletionHandler的实现：

publicfinalclassReadCompletionHandlerimplements
CompletionHandler<Integer,AbstractAioSession>{

privatestaticfinalLoggerlog=LoggerFactory
.getLogger(ReadCompletionHandler.class);
protectedfinalAioTCPControllercontroller;

publicReadCompletionHandler(AioTCPControllercontroller){
this.controller=controller;
}

@Override
publicvoidcancelled(AbstractAioSessionsession){
log.warn("Session("+session.getRemoteSocketAddress()
+")readoperationwascanceled");
}

@Override
publicvoidcompleted(Integerresult,AbstractAioSessionsession){
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(IOExceptione){
session.onException(e);
session.close();
}
}
controller.checkSessionTimeout();
}

@Override
publicvoidfailed(Throwableexc,AbstractAioSessionsession){
log.error("Sessionreaderror",exc);
session.onException(exc);
session.close();
}

}

如果IO读失败，会返回失败产生的异常，这种情况下我们就主动关闭连接，通过session.close()方法，这个方法干了两件事情：关闭channel和取消read调用：

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

在读成功的情况下，我们还需要判断结果result是否小于0，如果小于0就表示对端关闭了，这种情况下我们也主动关闭连接并返回。如果读到一定字节，也就是result大于0的情况下，我们就尝试从读缓冲区中decode出消息，并派发给业务处理器的回调方法，最终通过pendingRead继续发起read调用等待socket的下一次可读。可见，我们并不需要自己去调用channel来进行IO读，而是操作系统帮你直接读到了缓冲区，然后给你一个结果表示读入了多少字节，你处理这个结果即可。而nonblocking IO框架中，是reactor通知用户线程socket可读了，然后用户线程自己去调用read进行实际读操作。这里还有个需要注意的地方，就是decode出来的消息的派发给业务处理器工作最好交给一个线程池来处理，避免阻塞group绑定的线程池。

IO写的操作与此类似，不过通常写的话我们会在session中关联一个缓冲队列来处理，没有完全写入或者等待写入的消息都存放在队列中，队列为空的情况下发起write调用：

protectedvoidwrite0(WriteMessagemessage){
booleanneedWrite=false;
synchronized(this.writeQueue){
needWrite=this.writeQueue.isEmpty();
this.writeQueue.offer(message);
}
if(needWrite){
pendingWrite(message);
}
}

protectedfinalvoidpendingWrite(WriteMessagemessage){
message=preprocessWriteMessage(message);
if(!isClosed()&&this.asynchronousSocketChannel.isOpen()){
this.asynchronousSocketChannel.write(message.getWriteBuffer(),
this,this.writeCompletionHandler);
}else{
thrownewIllegalStateException(
"SessionOrChannelhasbeenclosed");
}
}

write调用返回的结果与read一样是一个Future<Integer>，而write的CompletionHandler处理的核心逻辑大概是这样：

@Override
publicvoidcompleted(Integerresult,AbstractAioSessionsession){
if(log.isDebugEnabled())
log.debug("Session("+session.getRemoteSocketAddress()
+")writen"+result+"bytes");

WriteMessagewriteMessage;
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(Exceptione){
session.onException(e);
}
writeMessage=writeQueue.peek();
}
}
if(writeMessage!=null){
try{
session.pendingWrite(writeMessage);
}catch(IOExceptione){
session.onException(e);
session.close();
}
}
}

compete方法中的result就是实际写入的字节数，然后我们判断消息的缓冲区是否还有剩余，如果没有就将消息从队列中移除，如果队列中还有消息，那么继续发起write调用。

重复一下，这里引用的代码都是yanf4j aio分支中的源码，感兴趣的朋友可以直接check out出来看看:http://yanf4j.googlecode.com/svn/branches/yanf4j-aio。
在引入了aio之后，java对于网络层的支持已经非常完善，该有的都有了，java也已经成为服务器开发的首选语言之一。java的弱项在于对内存的管理上，由于这一切都交给了GC，因此在高性能的网络服务器上还是Cpp的天下。java这种单一堆模型比之erlang的进程内堆模型还是有差距，很难做到高效的垃圾回收和细粒度的内存管理。

这里仅仅是介绍了aio开发的核心流程，对于一个网络框架来说，还需要考虑超时的处理、缓冲buffer的处理、业务层和网络层的切分、可扩展性、性能的可调性以及一定的通用性要求。