JavaNIO2AIO开发核心流程是什么
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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:
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:
public interface CompletionHandler{ void completed(V result, A attachment); void failed(Throwable exc, A attachment); void cancelled(A attachment); }
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(new InetSocketAddress("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
public void pendingAccept() { if (this.started && this.serverSocketChannel.isOpen()) { this.acceptFuture = this.serverSocketChannel.accept(null, new AcceptCompletionHandler()); } else { throw new IllegalStateException("Controller has been closed"); } }
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
private final class AcceptCompletionHandler implements CompletionHandler{ @Override public void cancelled(Object attachment) { logger.warn("Accept operation was canceled"); } @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) { try { logger.debug("Accept connection from " + socketChannel.getRemoteAddress()); configureChannel(socketChannel); AioSessionConfig sessionConfig = buildSessionConfig(socketChannel); Session session = new AioTCPSession(sessionConfig, AioTCPController.this.configuration .getSessionReadBufferSize(), AioTCPController.this.sessionTimeout); session.start(); registerSession(session); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); logger.error("Accept error", e); notifyException(e); } finally { pendingAccept(); } } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { logger.error("Accept error", exc); try { notifyException(exc); } finally { pendingAccept(); } } }
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:
public class AioTCPSession { protected void start0() { pendingRead(); } protected final void pendingRead() { 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 { throw new IllegalStateException( "Session Or Channel has been closed"); } } }
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
public final class ReadCompletionHandler implements CompletionHandler{ private static final Logger log = LoggerFactory .getLogger(ReadCompletionHandler.class); protected final AioTCPController controller; public ReadCompletionHandler(AioTCPController controller) { this.controller = controller; } @Override public void cancelled(AbstractAioSession session) { log.warn("Session(" + session.getRemoteSocketAddress() + ") read operation was canceled"); } @Override public void completed(Integer result, AbstractAioSession session) { 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 (IOException e) { session.onException(e); session.close(); } } controller.checkSessionTimeout(); } @Override public void failed(Throwable exc, AbstractAioSession session) { log.error("Session read error", 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:
protected void write0(WriteMessage message) { boolean needWrite = false; synchronized (this.writeQueue) { needWrite = this.writeQueue.isEmpty(); this.writeQueue.offer(message); } if (needWrite) { pendingWrite(message); } } protected final void pendingWrite(WriteMessage message) { message = preprocessWriteMessage(message); if (!isClosed() && this.asynchronousSocketChannel.isOpen()) { this.asynchronousSocketChannel.write(message.getWriteBuffer(), this, this.writeCompletionHandler); } else { throw new IllegalStateException( "Session Or Channel has been closed"); } }
write调用返回的结果与read一样是一个Future
@Override public void completed(Integer result, AbstractAioSession session) { if (log.isDebugEnabled()) log.debug("Session(" + session.getRemoteSocketAddress() + ") writen " + result + " bytes"); WriteMessage writeMessage; QueuewriteQueue = 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 (Exception e) { session.onException(e); } writeMessage = writeQueue.peek(); } } if (writeMessage != null) { try { session.pendingWrite(writeMessage); } catch (IOException e) { 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。
感谢各位的阅读,以上就是“Java NIO2 AIO开发核心流程是什么”的内容了,经过本文的学习后,相信大家对Java NIO2 AIO开发核心流程是什么这一问题有了更深刻的体会,具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联,小编将为大家推送更多相关知识点的文章,欢迎关注!
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