一、异步IO模型

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

这里写图片描述

和同步IO一样，异步IO也是由操作系统进行支持的。微软的windows系统提供了一种异步IO技术：IOCP（I/O CompletionPort，I/O完成端口）；
Linux下由于没有这种异步IO技术，所以使用的是epoll（上文介绍过的一种多路复用IO技术的实现）对异步IO进行模拟

二、JAVA AIO框架简析

这里写图片描述

JAVA AIO框架在windows下使用windows IOCP技术，在Linux下使用epoll多路复用IO技术模拟异步IO，这个从JAVA AIO框架的部分类设计上就可以看出来。

例如框架中，在Windows下负责实现套接字通道的具体类是“sun.nio.ch.WindowsAsynchronousSocketChannelImpl”，其引用的IOCP类型文档注释如是：

/** 
* Windows implementation of AsynchronousChannelGroup encapsulating an I/O 
* completion port. 
*/

特别说明一下，请注意在上图中的“java.nio.channels.NetworkChannel”接口，这个接口同样被JAVA NIO框架实现了，如下图所示：

这里写图片描述

代码示例

客户端和第二篇文章一样，本篇只给出服务端代码
服务端：

package demo.com.test.io.aio;

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class AioSocketServer {


    private static final Object waitObject = new Object();

    /**
     * @param args
     * @throws Exception
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        /*
         * 对于使用的线程池技术，我一定要多说几句
         * 1、Executors是线程池生成工具，通过这个工具我们可以很轻松的生成“固定大小的线程池”、“调度池”、“可伸缩线程数量的池”。具体请看API Doc
         * 2、当然您也可以通过ThreadPoolExecutor直接生成池。
         * 3、这个线程池是用来得到操作系统的“IO事件通知”的，不是用来进行“得到IO数据后的业务处理的”。要进行后者的操作，您可以再使用一个池（最好不要混用）
         * 4、您也可以不使用线程池（不推荐），如果决定不使用线程池，直接AsynchronousServerSocketChannel.open()就行了。
         * */
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(20);
        AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(threadPool);
        final AsynchronousServerSocketChannel serverSocket = AsynchronousServerSocketChannel.open(group);

        //设置要监听的端口“0.0.0.0”代表本机所有IP设备
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress("0.0.0.0", 8083));
        //为AsynchronousServerSocketChannel注册监听，注意只是为AsynchronousServerSocketChannel通道注册监听
        //并不包括为 随后客户端和服务器 socketchannel通道注册的监听
        serverSocket.accept(null, new ServerSocketChannelHandle(serverSocket));

        //等待，以便观察现象（这个和要讲解的原理本身没有任何关系，只是为了保证守护线程不会退出）
        synchronized(waitObject) {
            waitObject.wait();
        }
    }
}

package demo.com.test.io.aio;

import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;

/**
 * 这个处理器类，专门用来响应 ServerSocketChannel 的事件。
 * ServerSocketChannel只有一种事件：接受客户端的连接
 * @author keep_trying
 */
public class ServerSocketChannelHandle implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void> {
    /**
     * 日志
     */
    private static final Log LOGGER = LogFactory.getLog(ServerSocketChannelHandle.class);

    private AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel;

    /**
     * @param serverSocketChannel
     */
    public ServerSocketChannelHandle(AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel) {
        this.serverSocketChannel = serverSocketChannel;
    }

    /**
     * 注意，我们分别观察 this、socketChannel、attachment三个对象的id。
     * 来观察不同客户端连接到达时，这三个对象的变化，以说明ServerSocketChannelHandle的监听模式
     * 参数1为可以读的socketchannel,参数2为附着物
     */
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Void attachment) {
        ServerSocketChannelHandle.LOGGER.info("completed(AsynchronousSocketChannel result, ByteBuffer attachment)");
        //每次都要重新注册监听（一次注册，一次响应），但是由于“文件状态标示符”是独享的，所以不需要担心有“漏掉的”事件
        this.serverSocketChannel.accept(attachment, this);

        //为这个新的socketChannel注册“read”事件，以便操作系统在收到数据并准备好后，主动通知应用程序
        //在这里，由于我们要将这个客户端多次传输的数据累加起来一起处理，所以我们将一个stringbuffer对象作为一个“附件”依附在这个channel上
        //
        ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(2550);
        // 读到readBuffer中去,附着stringbuffer(第二个实参)
        socketChannel.read(readBuffer, new StringBuffer(), new SocketChannelReadHandle(socketChannel , readBuffer));
    }

    /* (non-Javadoc)
     * @see java.nio.channels.CompletionHandler#failed(java.lang.Throwable, java.lang.Object)
     */
    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
        ServerSocketChannelHandle.LOGGER.info("failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment)");
    }
}

package demo.com.test.io.aio;

import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.net.URLEncoder;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;

import org.apache.commons.logging.Log;
import org.apache.commons.logging.LogFactory;

/**
 * 负责对每一个socketChannel的数据获取事件进行监听。<p>
 * 
 * 重要的说明：一个socketchannel都会有一个独立工作的SocketChannelReadHandle对象（CompletionHandler接口的实现），
 * 其中又都将独享一个“文件状态标示”对象FileDescriptor、
 * 一个独立的由程序员定义的Buffer缓存（这里我们使用的是ByteBuffer）、
 * 所以不用担心在服务器端会出现“窜对象”这种情况，因为JAVA AIO框架已经帮您组织好了。<p>
 * 
 * 但是最重要的，用于生成channel的对象：AsynchronousChannelProvider是单例模式，无论在哪组socketchannel，
 * 对是一个对象引用（但这没关系，因为您不会直接操作这个AsynchronousChannelProvider对象）。
 * @author keep_trying
 */
public class SocketChannelReadHandle implements CompletionHandler<Integer, StringBuffer> {
    /**
     * 日志
     */
    private static final Log LOGGER = LogFactory.getLog(SocketChannelReadHandle.class);

    private AsynchronousSocketChannel socketChannel;

    /**
     * 专门用于进行这个通道数据缓存操作的ByteBuffer<br>
     * 当然，您也可以作为CompletionHandler的attachment形式传入。<br>
     * 但是，在这段示例代码中，attachment被我们用来记录所有传送过来的Stringbuffer了。
     * 就是每次读到内容会存储在这里
     */
    private ByteBuffer byteBuffer;

    public SocketChannelReadHandle(AsynchronousSocketChannel socketChannel , ByteBuffer byteBuffer) {
        this.socketChannel = socketChannel;
        this.byteBuffer = byteBuffer;
    }

    /* (non-Javadoc)
     * @see java.nio.channels.CompletionHandler#completed(java.lang.Object, java.lang.Object)
     */
   // 显然参数1为读的字节长度,参数2为注册时的附着对象
   // historyContext,用于把多次读取的数据汇总在一起,见下面的append调用
    @Override
    public void completed(Integer result, StringBuffer historyContext) {
        //如果条件成立，说明客户端主动终止了TCP套接字，这时服务端终止就可以了
        if(result == -1) {
            try {
                this.socketChannel.close();
            } catch (IOException e) {
                SocketChannelReadHandle.LOGGER.error(e);
            }
            return;
        }

        SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("completed(Integer result, Void attachment) : 然后我们来取出通道中准备好的值");
        /*
         * 实际上，由于我们从Integer result知道了本次channel从操作系统获取数据总长度
         * 所以实际上，我们不需要切换成“读模式”的，但是为了保证编码的规范性，还是建议进行切换。
         * 
         * 另外，无论是JAVA AIO框架还是JAVA NIO框架，都会出现“buffer的总容量”小于“当前从操作系统获取到的总数据量”，
         * 但区别是，JAVA AIO框架中，我们不需要专门考虑处理这样的情况，因为JAVA AIO框架已经帮我们做了处理（做成了多次通知）
         * */
        this.byteBuffer.flip();
        byte[] contexts = new byte[1024];
        // 把读到的内容取出来
        this.byteBuffer.get(contexts, 0, result);
        //然后清空
        this.byteBuffer.clear();
        try {
            String nowContent = new String(contexts , 0 , result , "UTF-8");
            historyContext.append(nowContent);
            SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("================目前的传输结果：" + historyContext);
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {
            SocketChannelReadHandle.LOGGER.error(e);
        }

        //如果条件成立，说明还没有接收到“结束标记”
        if(historyContext.indexOf("over") == -1) {
            return;
        }else{
            //清空已经读取的缓存，并从新切换为写状态(这里要注意clear()和capacity()两个方法的区别)
            this.byteBuffer.clear();
            SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("客户端发来的信息======message : " + historyContext);

            //======================================================
            //          当然接受完成后，可以在这里正式处理业务了        
            //======================================================
             SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("=======收到完整信息，开始处理业务=========");


            //回发数据，并关闭channel
            ByteBuffer sendBuffer = null;
            try {
                sendBuffer = ByteBuffer.wrap(URLEncoder.encode("你好客户端,这是服务器的返回数据", "UTF-8").getBytes());
                socketChannel.write(sendBuffer);
                socketChannel.close();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //=========================================================================
        //上篇文章的代码相同,else分支会走下面逻辑
        //=========================================================================
        SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("=======收到完整信息，开始处理业务=========");
        // 清空附着对象historyContext
        historyContext = new StringBuffer(); 
        //这次读取结束了(虽然分多次读取,但是over标记说明全部读完了),
        //还要继续下一次的订阅和监听（一次监听一次通知）
        this.socketChannel.read(this.byteBuffer, historyContext, this);
    }

    /* (non-Javadoc)
     * @see java.nio.channels.CompletionHandler#failed(java.lang.Throwable, java.lang.Object)
     */
    @Override
    public void failed(Throwable exc, StringBuffer historyContext) {
        SocketChannelReadHandle.LOGGER.info("=====发现客户端异常关闭，服务器将关闭TCP通道");
        try {
            this.socketChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            SocketChannelReadHandle.LOGGER.error(e);
        }
    }
}

要点讲解

在JAVA NIO框架中，我们说到了一个重要概念“selector”（选择器）。它负责代替应用查询中所有已注册的通道到操作系统中进行IO事件轮询、管理当前注册的通道集合，定位发生事件的通道等操操作；但是在JAVA AIO框架中，由于应用程序不是“轮询”方式，而是订阅-通知方式，所以不再需要“selector”（选择器）了，改由channel通道直接到操作系统注册监听。
JAVA AIO框架中，只实现了两种网络IO通道“AsynchronousServerSocketChannel”（服务器监听通道）、“AsynchronousSocketChannel”（socket套接字通道）。但是无论哪种通道他们都有独立的fileDescriptor（文件标识符）、attachment（附件，附件可以使任意对象，类似“通道上下文”），并被独立的SocketChannelReadHandle类实例引用。我们通过debug操作来看看它们的引用结构

测试过程中，我们启动了两个客户端，然后我们观察服务器端对这两个客户端通道的处理情况：

这里写图片描述

可以看到，在服务器端分别为客户端1和客户端2创建的两个WindowsAsynchronousSocketChannelImpl对象为：

这里写图片描述

客户端1：WindowsAsynchronousSocketChannelImpl：760 | FileDescriptor：762

客户端2：WindowsAsynchronousSocketChannelImpl：792 | FileDescriptor：797

接下来，我们让两个客户端发送信息到服务器端，并观察服务器端的处理情况。客户端1发来的消息和客户端2发来的消息，在服务器端的处理情况如下图所示：

这里写图片描述

客户端1：WindowsAsynchronousSocketChannelImpl：760 | FileDescriptor：762 | SocketChannelReadHandle：803 | HeapByteBuffer：808

客户端2：WindowsAsynchronousSocketChannelImpl：792 | FileDescriptor：797 | SocketChannelReadHandle：828 | HeapByteBuffer：833

可以明显看到，服务器端处理每一个客户端通道所使用的SocketChannelReadHandle（处理器）对象都是独立的，并且所引用的SocketChannel对象都是独立的。

JAVA NIO和JAVA AIO框架，除了因为操作系统的实现不一样而去掉了Selector外，其他的重要概念都是存在的，例如上文中提到的Channel的概念，还有演示代码中使用的Buffer缓存方式。实际上JAVA NIO和JAVA AIO框架您可以看成是一套完整的“高并发IO处理”的实现。

深入分析 Java I/O （四）AIO

一、异步IO模型

二、JAVA AIO框架简析

代码示例

要点讲解