Java AIO初探(非同步網路IO)

按照《Unix網路編程》的劃分，IO模型可以分為：阻塞IO、非阻塞IO、IO複用、訊號驅動IO和非同步IO，按照POSIX標準來劃分只分為兩類：同步IO和非同步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和非同步IO的區別就在於第二個步驟是否阻塞，如果實際的IO讀寫阻塞請求進程，那麼就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO服用、訊號驅動IO都是同步IO，如果不阻塞，而是作業系統幫你做完IO操作再將結果返回給你，那麼就是非同步IO。阻塞IO和非阻塞IO的區別在於第一步，發起IO請求是否會被阻塞，如果阻塞直到完成那麼就是傳統的阻塞IO，如果不阻塞，那麼就是非阻塞IO。

Java nio 2.0的主要改進就是引入了非同步IO（包括檔案和網路），這裡主要介紹下非同步網路IO API的使用以及架構的設計，以TCP服務端為例。首先看下為了支援AIO引入的新的類和介面：

java.nio.channels.AsynchronousChannel

標記一個channel支援非同步IO操作。

java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel

ServerSocket的aio版本，建立TCP服務端，綁定地址，監聽連接埠等。

java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel

面向流的非同步socket channel，表示一個串連。

java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup

非同步channel的分組管理，目的是為了資源共用。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建立的時候可以傳入一個 AsynchronousChannelGroup，那麼通過AsynchronousServerSocketChannel建立的 AsynchronousSocketChannel將同屬於一個組，共用資源。

java.nio.channels.CompletionHandler

非同步IO操作結果的回調介面，用於定義在IO操作完成後所作的回調工作。AIO的API允許兩種方式來處理非同步作業的結果：返回的Future模式或者註冊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，線程池的大小是效能的關鍵因素。AsynchronousChannelGroup允許綁定不同的線程池，通過三個靜態方法來建立：

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，從架構角度出發，需要暴露這樣的配置選項給使用者。

在介紹完了aio引入的TCP的主要介面和類之後，我們來設想下一個aio架構應該怎麼設計。參考非阻塞nio架構的設計，一般都是採用Reactor模式，Reacot負責事件的註冊、select、事件的派發；相應地，非同步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) -> 訊息佇列是否為空白，如果為空白　 -> 向Reactor註冊OP_WRITE，然後返回 -> Reactor select -> 觸發Writable，通知使用者線程去處理 ->先登出Writable(很多人遇到的cpu 100%的問題就在於沒有登出）,處理Writeable，如果沒有完全寫入，繼續註冊OP_WRITE。注意到，寫入的工作還是使用者線程在處理。

Proactor: send(msg) -> 訊息佇列是否為空白，如果為空白,發起read非同步呼叫，並註冊CompletionHandler，然後返回。 -> 作業系統負責將你的訊息寫入，並返回結果（寫入的位元組數）給Proactor -> Proactor派發CompletionHandler。可見，寫入的工作是作業系統在處理，無需使用者線程參與。事實上在aio的API 中,AsynchronousChannelGroup就扮演了Proactor的角色。

CompletionHandler有三個方法，分別對應於處理成功、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);
}