AIO 详解
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AIO（Asynchronous Input and Output）
异步IO则采用“订阅-通知”模式：
即应用程序向操作系统注册IO监听，然后继续做自己的事情。
当操作系统发生IO事件，并且准备好数据后，在主动通知应用程序，触发相应的函数
NIO在网络操作中，提供了非阻塞的方法，但是NIO的IO行为还是同步的。
NIO的业务线程是在IO操作准备好时，得到通知，接着就由这个线程自行进行IO操作（IO操作本身是同步的）
AIO不是在IO操作准备好时再通知线程，而是在IO操作已经完成后，再给线程发出通知。
因此AIO是不会阻塞的，此时我们的业务逻辑将变成一个回调函数，等待IO操作完成后，由系统自动触发。
基本操作
与NIO不同，当进行读写操作时，AIO只须直接调用API的read或write方法即可。
两种方法均为异步的：
对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；
对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。
即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。
在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO2，主要在Java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：
AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel
在AIO socket编程中，服务端通道是AsynchronousServerSocketChannel：
open()静态工厂：
public static AsynchronousServerSocketChannel open(AsynchronousChannelGroup group)
public static AsynchronousServerSocketChannel open()
如果参数是null，则由系统默认提供程序创建resulting channel，并且绑定到默认组
bind()方法用于绑定服务端IP地址（还有端口号）。
accept()用于接收用户连接请求。
AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(PORT);
public abstract <A> void accept(A attachment,CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,? super A> handler);
public abstract Future<AsynchronousSocketChannel> accept();
在客户端使用的通道是AsynchronousSocketChannel：
这个通道处理提供open静态工厂方法外，还提供了read和write方法。
public abstract Future<Void> connect(SocketAddress remote);
Future对象的get()方法会阻塞该线程，所以这种方式是阻塞式的异步IO
public abstract <A> void connect(SocketAddress remote,
A attachment,
CompletionHandler<Void,? super A> handler);
在AIO编程中，发出一个事件（accept read write等）之后要指定事件处理类（回调函数），AIO中的事件处理类是
CompletionHandler<V,A>，接口定义了如下两个方法，分别在异步操作成功和失败时被回调：
void completed(V result, A attachment); //第一个参数代表IO操作返回的对象，第二个参数代表发起IO操作时传入的附加参数
void failed(Throwable exc, A attachment); //第一个参数代表IO操作失败引发的异常或错误
异步channel API提供了两种方式监控/控制异步操作(connect,accept, read，write等)：
第一种方式是返回java.util.concurrent.Future对象，
检查Future的状态可以得到操作是否完成还是失败，还是进行中（future.get()阻塞当前进程以判断IO操作完成）
第二种方式为操作提供一个回调参数java.nio.channels.CompletionHandler
这个回调类包含completed,failed两个方法。
Future方式（异步阻塞）
Future是在JDK1.5中加入Java并发包的，该接口提供get()方法用于获取任务完成之后的处理结果。
在AIO中，可以接受一个I/O连接请求，返回一个Future对象。
然后可以基于该返回对象进行后续的操作，包括使其阻塞、查看是否完成、超时异常。
使用异步Channel时，accept()、connect()、read()、write()等方法都不会阻塞，
也就是说如果使用返回Future的这些方法，程序并不能直到什么时候成功IO，
必须要使用get方法，等get方法的阻塞结束后才能确保IO完成，继续执行下面的操作。
FutureClient
public class ClientOnFuture {
static final int PORT = 10000;
static final String IP = "localhost";
static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
public static void main(String[] args) {
//尝试创建AsynchronousSocketChannel
try (AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open()) {
//获取连接
Future<Void> connect = socketChannel.connect(new InetSocketAddress(IP, PORT));
//返回连接状态
Void aVoid = connect.get();
//返回null表示连接成功
if (aVoid == null) {
/**
* 向服务端发送数据
*/
Future<Integer> write = socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("客户端说：我连接成功了！".getBytes()));
Integer integer = write.get();
System.out.println("服务端接收的字节长度：" + integer);
/**
* 接收服务端数据
*/
while (socketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
CharBuffer decode = Charset.defaultCharset().decode(buffer);
System.out.println(decode.toString());
if (buffer.hasRemaining()) {
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
int r = new Random().nextInt(10);
if (r == 5) {
System.out.println("客户端关闭！");
break;
} else {
/**
* 如果在频繁调用write()的时候，在上一个操作没有写完的情况下，
* 调用write会触发WritePendingException异常
*
* 应此此处最好在调用write()之后调用get()阻塞以便确认io操作完成
*/
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap(("客户端发送的数据:" + r).getBytes())).get();
}
}
} else {
System.out.println("无法建立连接!");
}
} catch (Exception e) {
System.out.println("出错了！");
}
}
}
FutureServer
public class ServerOnFuture {
static final int PORT = 10000;
static final String IP = "localhost";
static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
public static void main(String[] args) {
try (AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()) {
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(IP, PORT));
while (true) {
Future<AsynchronousSocketChannel> channelFuture = serverSocketChannel.accept();
try (AsynchronousSocketChannel socketChannel = channelFuture.get()) {
while (socketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
/**
* 此处要注意：千万不能直接操作buffer（因为write要用到buffer），否则客户端会阻塞并报错
* “java.util.concurrent.ExecutionException: java.io.IOException: 指定的网络名不再可用。”
*
* 缓冲区的复制有分两种：
* 1、完全复制：调用duplicate()函数或者asReadOnlyBuffer()函数
* 2、部分复制：调用slice函数
*
* duplicate()函数创建了一个与原始缓冲区相似的新缓冲区。
* 每个缓冲区有自己的位置信息，但对缓冲区的修改都会映射到同一个底层数组上。
*/
//复制一个缓冲区会创建一个新的 Buffer 对象，但并不复制数据。原始缓冲区和副本都会操作同样的数据元素。
ByteBuffer duplicate = buffer.duplicate();
CharBuffer decode = Charset.defaultCharset().decode(duplicate);
System.out.println("收到客户端数据：" + decode);
/**
* 写回数据(get()会阻塞以等待io操作完成)
*/
socketChannel.write(buffer).get();
/**
* 清理buffer，准备下一次read
*/
if (buffer.hasRemaining()) {
/**
* 如果未写完，表示buffer还有数据，则只清理写过的数据
* compact()方法只会清除已经读过的数据。
* 任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。
*/
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Future方式实现多客户端并发
public class ServerOnFuture {
static final int PORT = 10000;
static final String IP = "localhost";
//无界线程池
static ExecutorService taskExecutorService = Executors.newCachedThreadPool();
static ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
public static void main(String[] args) {
try (AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()) {
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(IP, PORT));
while (true) {
Future<AsynchronousSocketChannel> socketChannelFuture = serverSocketChannel.accept();
try {
final AsynchronousSocketChannel socketChannel = socketChannelFuture.get();
/**
* 创建一个具有回调的线程
*/
Callable<String> worker = new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
while (socketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
ByteBuffer duplicate = buffer.duplicate();
CharBuffer decode = Charset.defaultCharset().decode(duplicate);
System.out.println(decode.toString());
socketChannel.write(buffer).get();
if (buffer.hasRemaining()) {
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
}
socketChannel.close();
return "服务端反馈信息：收到";
}
};
/**
* 将线程提交到线程池
*/
taskExecutorService.submit(worker);
//获取线程数
System.out.println(((ThreadPoolExecutor) taskExecutorService).getActiveCount());
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
/**
* 出现异常，关闭线程池
*/
taskExecutorService.shutdown();
/**
* boolean isTerminated()
* 若关闭后所有任务都已完成，则返回true。
* 注意除非首先调用shutdown或shutdownNow，否则isTerminated永不为true。
*/
while (!taskExecutorService.isTerminated()) {
}
//跳出循环，结束程序
break;
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
异步非阻塞和Group
AsynchronousChannelGroup是异步Channel的分组管理器，它可以实现资源共享。
创建AsynchronousChannelGroup时，需要传入一个ExecutorService，也就是绑定一个线程池。
该线程池负责两个任务：处理IO事件和触发CompletionHandler回调接口。
每个异步通道都必须关联一个组，要么是系统默认组，要么是用户创建的组。
如果不使用group参数，java使用一个默认的系统范围的组对象。
异步IO模型中，用户线程直接使用内核提供的异步IO API发起read请求。
发起后立即返回，继续执行用户线程代码。
此时用户线程已经将调用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注册到内核，然后操作系统开启独立的内核线程去处理IO操作。
当read请求的数据到达时，由内核负责读取socket中的数据，并写入用户指定的缓冲区中。
最后内核将read的数据和用户线程注册的CompletionHandler分发给内部Proactor，Proactor将IO完成的信息通知给用户线程（一般通过调用用户线程注册的完成事件处理函数），完成异步IO。
Callback方式客户端（异步非阻塞）
public class ClientOnCompletionHandler {
static final int PORT = 10000;
static final String IP = "localhost";
public static void main(String[] args) {
try (final AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open()) {
socketChannel.connect(new InetSocketAddress(IP, PORT), null, new CompletionHandler<Void, Void>() {
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
@Override
public void completed(Void result, Void attachment) {
try {
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("Hello Server！".getBytes())).get();
while (socketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
ByteBuffer duplicate = buffer.duplicate();
CharBuffer decode = Charset.defaultCharset().decode(duplicate);
System.out.println(decode.toString());
buffer.clear();
int r = new Random().nextInt(10);
socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("客户端消息：".concat(String.valueOf(r)).getBytes())).get();
Thread.sleep(3000);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
System.out.println("连接失败！");
}
});
//主要是阻塞作用，因为AIO是异步的，所以此处不阻塞的话，主线程很快执行完毕，并会关闭通道
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
Callback方式服务端（异步非阻塞）
public class ServerOnCompletionHandler {
static final int PORT = 10000;
static final String IP = "localhost";
public static void main(String[] args) {
//打开通道
try (final AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()) {
//创建服务
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(IP, PORT));
//接收客户端连接
serverSocketChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Void attachment) {
/**
* 注意接收一个连接之后，紧接着可以接收下一个连接，所以必须再次调用accept方法
* AsynchronousSocketChannel就代表该CompletionHandler处理器在处理连接成功时的result（AsynchronousSocketChannel的实例）
*/
serverSocketChannel.accept(null, this);
try {
while (socketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
final ByteBuffer duplicate = buffer.duplicate();
final CharBuffer decode = Charset.defaultCharset().decode(duplicate);
System.out.println(decode.toString());
socketChannel.write(buffer).get(); //get()用于阻塞使IO操作完成
if (buffer.hasRemaining()) {
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
/**
* 失败后也需要接收下一个连接
*/
serverSocketChannel.accept(null, this);
System.out.println("连接失败！");
}
});
//主要是阻塞作用，因为AIO是异步的，所以此处不阻塞的话，主线程很快执行完毕，并会关闭通道
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
自定义Group
public class ServerOnReaderAndWriterForMultiClients {
static final int PORT = 10000;
static final String IP = "localhost";
static AsynchronousChannelGroup threadGroup = null;
static ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
public static void main(String[] args) {
try {
threadGroup = AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(executorService, 5);
//或者使用指定数量的线程池
//threadGroup = AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(5, Executors.defaultThreadFactory());
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
try (AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open(threadGroup)) {
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(IP, PORT));
serverSocketChannel.accept(serverSocketChannel, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsynchronousServerSocketChannel>() {
final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
serverSocketChannel.accept(null, this);
try {
while (socketChannel.read(buffer).get() != -1) {
buffer.flip();
final ByteBuffer duplicate = buffer.duplicate();
final CharBuffer decode = Charset.defaultCharset().decode(duplicate);
System.out.println(decode.toString());
socketChannel.write(buffer).get(); //get()用于阻塞使IO操作完成
if (buffer.hasRemaining()) {
buffer.compact();
} else {
buffer.clear();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
try {
socketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
serverSocketChannel.accept(null, this);
System.out.println("连接失败！");
}
});
//此方法一直阻塞，直到组终止、超时或当前线程中断
threadGroup.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
