Java IO编程全解（五）——AIO编程

时间：2021-05-02 18:00:50

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　　前面讲到：Java IO编程全解（四）——NIO编程

　　NIO2.0引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。异步通道提供两种方式获取操作结果。

  • 通过java.util.concurrent.Future类来表示异步操作的结果；
  • 在执行异步操作的时候传入一个java.nio.channels。

　　CompletionHandler接口的实现类作为操作完成的回调。

　　NIO2.0的异步套接字通道是真正的异步非阻塞I/O，它对UNIX网络编程中的事件驱动I/O（AIO），它不需要通过多路复用器（Selector）对注册的通道进行轮询操作即可实现异步读写，从而简化了NIO的编程模型。

　　下面通过代码来熟悉NIO2.0 AIO的相关类库，仍旧以时间服务器为例程进行讲解。

 1.AIO创建的TimeServer源码分析

package joanna.yan.aio;

public class TimeServer {

public static void main(String[] args) {
int port=9090;
if(args!=null&&args.length>0){
try {
                port=Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (Exception e) {
// 采用默认值
            }
        }

        AsyncTimeServerHandler timeServer=new AsyncTimeServerHandler(port);
new Thread(timeServer,"AIO-AsyncTimeServerHandler-001").start();
    }
}
 
package joanna.yan.aio;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class AsyncTimeServerHandler implements Runnable{
private int port;
    CountDownLatch latch;
    AsynchronousServerSocketChannel asynchronousServerSocketChannel;

public AsyncTimeServerHandler(int port){
this.port=port;
try {
//创建一个异步的服务端通道AsynchronousServerSocketChannel
            asynchronousServerSocketChannel=AsynchronousServerSocketChannel.open();
            asynchronousServerSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(port));
            System.out.println("The time server is start in port: "+port);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
public void run() {
/*
         *初始化CountDownLatch对象。 
         *它的作用是，在完成一组正在执行的操作之前，允许当前的线程一直阻塞。
         *在本例中，我们让线程在此阻塞，防止服务器执行完成退出。
         *在实际项目应用中，不需要启动独立的线程来处理AsynchronousServerSocketChannel，这里仅仅是个demo演示。
*/
        latch=new CountDownLatch(1);
        doAccept();
try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

/**
     * 接收客户端的连接。
     * 由于这里是异步操作。我们可以传递一个CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,? super A>类型
     * 的handler实例接收accept操作成功的通知消息
*/
public void doAccept() {
        asynchronousServerSocketChannel.accept(this, new AcceptCompletionHandler());
    }
}
 
package joanna.yan.aio;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
/**
 * 接收accept操作成功的通知消息
 * @author Administrator
 *
*/
public class AcceptCompletionHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,AsyncTimeServerHandler>{

    @Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel result,
            AsyncTimeServerHandler attachment) {
/*
         * 疑惑：既然已经接收客户端成功了，为什么还要再次调用accept方法呢？
         * 原因：当我们调用AsynchronousServerSocketChannel的accept方法后，如果有新的客户端连接接入，
         * 系统将回调我们传入的CompletionHandler实例的completed方法，表示新的客户端已经接入成功，
         * 因为一个AsynchronousServerSocketChannel可以接收成千上万个客户端，所以我们需要继续调用它的accep方法，
         * 接收其他的客户端连接，最终形成一个循环。
         * 每当接收一个客户读连接成功之后，再异步接收新的客户端连接。
*/
        attachment.asynchronousServerSocketChannel.accept(attachment, this);
        ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(1024);
/*
         * 参数一：接收缓冲区，用于从异步Channel中读取数据包；
         * 参数二：异步Channel携带的附件，通知回调的时候作为入参使用；
         * 参数三：接收通知回调的业务handler
*/
        result.read(buffer, buffer, new ReadCompletionHandler(result));
    }

    @Override
public void failed(Throwable exc, AsyncTimeServerHandler attachment) {
        exc.printStackTrace();
        attachment.latch.countDown();
    } 
}
 
package joanna.yan.aio;

import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.Date;
/**
 * 主要用于读取半包消息和发送应答。
 * 本例不对半包读写进行具体说明，在后面的Netty半包处理中会介绍。
 * @author Administrator
 *
*/
public class ReadCompletionHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>{

private AsynchronousSocketChannel channel;

public ReadCompletionHandler(AsynchronousSocketChannel channel){
if(this.channel==null){
this.channel=channel;
        }
    }

    @Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
//为后续从缓冲区读取数据做准备
        attachment.flip();
byte[] body=new byte[attachment.remaining()];
        attachment.get(body);

try {
            String req=new String(body, "UTF-8");
            System.out.println("The time server receive order : "+req);
            String currentTime="QUERY TIME ORDER".equalsIgnoreCase(req) ? 
new Date(System.currentTimeMillis()).toString() : "BAD　ORDER";
            doWrite(currentTime);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

/**
     * 发生异常的时候调用。
     * 对异常Throwable进行判断，如果是I/O异常，就关闭链路，释放资源；
     * 如果是其它异常，按照业务自己的逻辑进行处理。
     * 本例作为简单demo，没有对异常进行分类判断，只要发生了读写异常，就关闭链路，释放资源。
*/
    @Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
this.channel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

private void doWrite(String currentTime) {
if(currentTime!=null&&currentTime.trim().length()>0){
byte[] bytes=currentTime.getBytes();
            ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(bytes.length);
            writeBuffer.put(bytes);
            writeBuffer.flip();

            channel.write(writeBuffer, writeBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {

                @Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
//如果没有发送完成，继续发送
if(buffer.hasRemaining()){
                        channel.write(buffer, buffer, this);
                    }
                }

                @Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
                        channel.close();
                    } catch (IOException e) {
//ingnore on close
                    }
                }
            });
        }
    }
}

2.AIO创建的TimeClient源码分析

package joanna.yan.aio;

public class TimeClient {
public static void main(String[] args) {
int port=9090;
if(args!=null&&args.length>0){
try {
                port=Integer.valueOf(args[0]);
            } catch (Exception e) {
// 采用默认值
            }
        }

/*
         * 通过一个独立的I/O线程创建异步时间服务器客户端handler。
         * 在实际项目中，我们不需要独立的线程创建异步连接对象，因为底层都是通过JDK的系统回调实现的。
*/
new Thread(new AsyncTimeClientHandler("127.0.0.1", port),"AIO-AsyncTimeClientHandle-001").start();

/*
         * 需要指出的是，正如之前的NIO例程，我们并没有完整的处理网络的半包读写，在对例程进行功能测试的是还没有问题，
         * 但是，如果对代码稍加改造，进行压力或者性能测试，就会发现输出结果存在问题。
         * 这里只集中将NIO的入门知识，后面会详细讲到半包读写
*/
    }
}
 
package joanna.yan.aio;

import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class AsyncTimeClientHandler implements CompletionHandler<Void, AsyncTimeClientHandler>,Runnable{

private AsynchronousSocketChannel client;
private String host;
private int port;
private CountDownLatch latch;

public AsyncTimeClientHandler(String host,int port){
this.host=host;
this.port=port;
try {
            client=AsynchronousSocketChannel.open();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
public void completed(Void result, AsyncTimeClientHandler attachment) {
byte[] req="QUERY TIME ORDER".getBytes();
        ByteBuffer writeBuffer=ByteBuffer.allocate(req.length);
        writeBuffer.put(req);
        writeBuffer.flip();
        client.write(writeBuffer, writeBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {//用于写操作完成后的回调

            @Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
if(buffer.hasRemaining()){
                    client.write(buffer, buffer, this);
                }else{
                    ByteBuffer readBuffer=ByteBuffer.allocate(1024);
                    client.read(readBuffer, readBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>(){//当读取完成被JDK回调时，构造应答消息。

                        @Override
public void completed(Integer result,
                                ByteBuffer buffer) {
                            buffer.flip();
byte[] bytes=new byte[buffer.remaining()];
                            buffer.get(bytes);
                            String body;
try {
                                body=new String(bytes, "UTF-8");
                                System.out.println("Now is : "+body);
                                latch.countDown();
                            } catch (UnsupportedEncodingException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }

                        @Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
                                client.close();
//让AsyncTimeClientHandler线程执行完毕，客户端退出执行
                                latch.countDown();
                            } catch (IOException e) {
//ingnore on close
                            }
                        }   
                    });
                }
            }

            @Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
try {
                    client.close();
                    latch.countDown();
                } catch (IOException e) {
//ingnore on close
                }
            }
        });
    }

    @Override
public void failed(Throwable exc, AsyncTimeClientHandler attachment) {
        exc.printStackTrace();
try {
            client.close();
            latch.countDown();
        } catch (IOException e) {
//ingnore on close
        }
    }

    @Override
public void run() {
//创建CountDownLatch进行等待，防止异步操作没有执行完成线程就退出。
        latch=new CountDownLatch(1);
/*
         * 参数二：AsynchronousSocketChannel的附件，用于回调通知时作为入参被传递，调用者可以自定义
         * 参数三：异步参数回调通知接口，由调用者实现。
*/
        client.connect(new InetSocketAddress(host, port), this, this);
try {
            latch.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
try {
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　异步SocketChannel是被动执行对象，我们不需要像NIO编程那样创建一个独立I/O线程来处理读写操作。对于AsynchronousServerSocketChannel和 AsynchronousSocketChannel，它们都由JDK底层的线程池负责回调并驱动读写操作。正因为如此，基于NIO2.0新的异步非阻塞Channel进行编程比NIO编程更为简单。

　　后面，我们将对前面讲到的4种I/O进行概念澄清和比较，让大家从整体上掌握这些I/O模型的差异。以便在未来的工作中能够根据产品的实际情况选择合适的I/O模型。

 Java IO编程全解（六）——4种I/O的对比与选型

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Java IO编程全解（五）——AIO编程

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