AIO编程(NIO2.0)及代码实现

AIO编程

    NIO 2.0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。

    异步的套接字通道时真正的异步非阻塞I/O,对应于UNIX网络编程中的事件驱动I/O(AIO)。他不需要过多的Selector对注册的通道进行轮询即可实现异步读写,从而简化了NIO的编程模型。

    直接上代码吧。

    3.1、Server端代码

    Server:

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  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
  2. /** 
  3.  * AIO服务端 
  4.  * @author yangtao__anxpp.com 
  5.  * @version 1.0 
  6.  */  
  7. public class Server {  
  8.     private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
  9.     private static AsyncServerHandler serverHandle;  
  10.     public volatile static long clientCount = 0;  
  11.     public static void start(){  
  12.         start(DEFAULT_PORT);  
  13.     }  
  14.     public static synchronized void start(int port){  
  15.         if(serverHandle!=null)  
  16.             return;  
  17.         serverHandle = new AsyncServerHandler(port);  
  18.         new Thread(serverHandle,"Server").start();  
  19.     }  
  20.     public static void main(String[] args){  
  21.         Server.start();  
  22.     }  
  23. }  

    AsyncServerHandler:

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  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
  2. import java.io.IOException;  
  3. import java.net.InetSocketAddress;  
  4. import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;  
  5. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  6. public class AsyncServerHandler implements Runnable {  
  7.     public CountDownLatch latch;  
  8.     public AsynchronousServerSocketChannel channel;  
  9.     public AsyncServerHandler(int port) {  
  10.         try {  
  11.             //创建服务端通道  
  12.             channel = AsynchronousServerSocketChannel.open();  
  13.             //绑定端口  
  14.             channel.bind(new InetSocketAddress(port));  
  15.             System.out.println("服务器已启动,端口号:" + port);  
  16.         } catch (IOException e) {  
  17.             e.printStackTrace();  
  18.         }  
  19.     }  
  20.     @Override  
  21.     public void run() {  
  22.         //CountDownLatch初始化  
  23.         //它的作用:在完成一组正在执行的操作之前,允许当前的现场一直阻塞  
  24.         //此处,让现场在此阻塞,防止服务端执行完成后退出  
  25.         //也可以使用while(true)+sleep   
  26.         //生成环境就不需要担心这个问题,以为服务端是不会退出的  
  27.         latch = new CountDownLatch(1);  
  28.         //用于接收客户端的连接  
  29.         channel.accept(this,new AcceptHandler());  
  30.         try {  
  31.             latch.await();  
  32.         } catch (InterruptedException e) {  
  33.             e.printStackTrace();  
  34.         }  
  35.     }  
  36. }  

    AcceptHandler:

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  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
  2. import java.nio.ByteBuffer;  
  3. import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
  4. import java.nio.channels.CompletionHandler;  
  5. //作为handler接收客户端连接  
  6. public class AcceptHandler implements CompletionHandler {  
  7.     @Override  
  8.     public void completed(AsynchronousSocketChannel channel,AsyncServerHandler serverHandler) {  
  9.         //继续接受其他客户端的请求  
  10.         Server.clientCount++;  
  11.         System.out.println("连接的客户端数:" + Server.clientCount);  
  12.         serverHandler.channel.accept(serverHandler, this);  
  13.         //创建新的Buffer  
  14.         ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
  15.         //异步读  第三个参数为接收消息回调的业务Handler  
  16.         channel.read(buffer, buffer, new ReadHandler(channel));  
  17.     }  
  18.     @Override  
  19.     public void failed(Throwable exc, AsyncServerHandler serverHandler) {  
  20.         exc.printStackTrace();  
  21.         serverHandler.latch.countDown();  
  22.     }  
  23. }  

    ReadHandler:

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  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.server;  
  2. import java.io.IOException;  
  3. import java.io.UnsupportedEncodingException;  
  4. import java.nio.ByteBuffer;  
  5. import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
  6. import java.nio.channels.CompletionHandler;  
  7. import com.anxpp.io.utils.Calculator;  
  8. public class ReadHandler implements CompletionHandler {  
  9.     //用于读取半包消息和发送应答  
  10.     private AsynchronousSocketChannel channel;  
  11.     public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel channel) {  
  12.             this.channel = channel;  
  13.     }  
  14.     //读取到消息后的处理  
  15.     @Override  
  16.     public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {  
  17.         //flip操作  
  18.         attachment.flip();  
  19.         //根据  
  20.         byte[] message = new byte[attachment.remaining()];  
  21.         attachment.get(message);  
  22.         try {  
  23.             String expression = new String(message, "UTF-8");  
  24.             System.out.println("服务器收到消息: " + expression);  
  25.             String calrResult = null;  
  26.             try{  
  27.                 calrResult = Calculator.cal(expression).toString();  
  28.             }catch(Exception e){  
  29.                 calrResult = "计算错误:" + e.getMessage();  
  30.             }  
  31.             //向客户端发送消息  
  32.             doWrite(calrResult);  
  33.         } catch (UnsupportedEncodingException e) {  
  34.             e.printStackTrace();  
  35.         }  
  36.     }  
  37.     //发送消息  
  38.     private void doWrite(String result) {  
  39.         byte[] bytes = result.getBytes();  
  40.         ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(bytes.length);  
  41.         writeBuffer.put(bytes);  
  42.         writeBuffer.flip();  
  43.         //异步写数据 参数与前面的read一样  
  44.         channel.write(writeBuffer, writeBuffer,new CompletionHandler() {  
  45.             @Override  
  46.             public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {  
  47.                 //如果没有发送完,就继续发送直到完成  
  48.                 if (buffer.hasRemaining())  
  49.                     channel.write(buffer, buffer, this);  
  50.                 else{  
  51.                     //创建新的Buffer  
  52.                     ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
  53.                     //异步读  第三个参数为接收消息回调的业务Handler  
  54.                     channel.read(readBuffer, readBuffer, new ReadHandler(channel));  
  55.                 }  
  56.             }  
  57.             @Override  
  58.             public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {  
  59.                 try {  
  60.                     channel.close();  
  61.                 } catch (IOException e) {  
  62.                 }  
  63.             }  
  64.         });  
  65.     }  
  66.     @Override  
  67.     public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {  
  68.         try {  
  69.             this.channel.close();  
  70.         } catch (IOException e) {  
  71.             e.printStackTrace();  
  72.         }  
  73.     }  
  74. }  

    OK,这样就已经完成了,其实说起来也简单,虽然代码感觉很多,但是API比NIO的使用起来真的简单多了,主要就是监听、读、写等各种CompletionHandler。此处本应有一个WriteHandler的,确实,我们在ReadHandler中,以一个匿名内部类实现了它。

    下面看客户端代码。

    3.2、Client端代码

    Client:

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  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
  2. import java.util.Scanner;  
  3. public class Client {  
  4.     private static String DEFAULT_HOST = "127.0.0.1";  
  5.     private static int DEFAULT_PORT = 12345;  
  6.     private static AsyncClientHandler clientHandle;  
  7.     public static void start(){  
  8.         start(DEFAULT_HOST,DEFAULT_PORT);  
  9.     }  
  10.     public static synchronized void start(String ip,int port){  
  11.         if(clientHandle!=null)  
  12.             return;  
  13.         clientHandle = new AsyncClientHandler(ip,port);  
  14.         new Thread(clientHandle,"Client").start();  
  15.     }  
  16.     //向服务器发送消息  
  17.     public static boolean sendMsg(String msg) throws Exception{  
  18.         if(msg.equals("q")) return false;  
  19.         clientHandle.sendMsg(msg);  
  20.         return true;  
  21.     }  
  22.     @SuppressWarnings("resource")  
  23.     public static void main(String[] args) throws Exception{  
  24.         Client.start();  
  25.         System.out.println("请输入请求消息:");  
  26.         Scanner scanner = new Scanner(System.in);  
  27.         while(Client.sendMsg(scanner.nextLine()));  
  28.     }  
  29. }  

    AsyncClientHandler:

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  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
  2. import java.io.IOException;  
  3. import java.net.InetSocketAddress;  
  4. import java.nio.ByteBuffer;  
  5. import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
  6. import java.nio.channels.CompletionHandler;  
  7. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  8. public class AsyncClientHandler implements CompletionHandler, Runnable {  
  9.     private AsynchronousSocketChannel clientChannel;  
  10.     private String host;  
  11.     private int port;  
  12.     private CountDownLatch latch;  
  13.     public AsyncClientHandler(String host, int port) {  
  14.         this.host = host;  
  15.         this.port = port;  
  16.         try {  
  17.             //创建异步的客户端通道  
  18.             clientChannel = AsynchronousSocketChannel.open();  
  19.         } catch (IOException e) {  
  20.             e.printStackTrace();  
  21.         }  
  22.     }  
  23.     @Override  
  24.     public void run() {  
  25.         //创建CountDownLatch等待  
  26.         latch = new CountDownLatch(1);  
  27.         //发起异步连接操作,回调参数就是这个类本身,如果连接成功会回调completed方法  
  28.         clientChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port), thisthis);  
  29.         try {  
  30.             latch.await();  
  31.         } catch (InterruptedException e1) {  
  32.             e1.printStackTrace();  
  33.         }  
  34.         try {  
  35.             clientChannel.close();  
  36.         } catch (IOException e) {  
  37.             e.printStackTrace();  
  38.         }  
  39.     }  
  40.     //连接服务器成功  
  41.     //意味着TCP三次握手完成  
  42.     @Override  
  43.     public void completed(Void result, AsyncClientHandler attachment) {  
  44.         System.out.println("客户端成功连接到服务器...");  
  45.     }  
  46.     //连接服务器失败  
  47.     @Override  
  48.     public void failed(Throwable exc, AsyncClientHandler attachment) {  
  49.         System.err.println("连接服务器失败...");  
  50.         exc.printStackTrace();  
  51.         try {  
  52.             clientChannel.close();  
  53.             latch.countDown();  
  54.         } catch (IOException e) {  
  55.             e.printStackTrace();  
  56.         }  
  57.     }  
  58.     //向服务器发送消息  
  59.     public void sendMsg(String msg){  
  60.         byte[] req = msg.getBytes();  
  61.         ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.allocate(req.length);  
  62.         writeBuffer.put(req);  
  63.         writeBuffer.flip();  
  64.         //异步写  
  65.         clientChannel.write(writeBuffer, writeBuffer,new WriteHandler(clientChannel, latch));  
  66.     }  
  67. }  

    WriteHandler:

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 print?
  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
  2. import java.io.IOException;  
  3. import java.nio.ByteBuffer;  
  4. import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
  5. import java.nio.channels.CompletionHandler;  
  6. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  7. public class WriteHandler implements CompletionHandler {  
  8.     private AsynchronousSocketChannel clientChannel;  
  9.     private CountDownLatch latch;  
  10.     public WriteHandler(AsynchronousSocketChannel clientChannel,CountDownLatch latch) {  
  11.         this.clientChannel = clientChannel;  
  12.         this.latch = latch;  
  13.     }  
  14.     @Override  
  15.     public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {  
  16.         //完成全部数据的写入  
  17.         if (buffer.hasRemaining()) {  
  18.             clientChannel.write(buffer, buffer, this);  
  19.         }  
  20.         else {  
  21.             //读取数据  
  22.             ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);  
  23.             clientChannel.read(readBuffer,readBuffer,new ReadHandler(clientChannel, latch));  
  24.         }  
  25.     }  
  26.     @Override  
  27.     public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {  
  28.         System.err.println("数据发送失败...");  
  29.         try {  
  30.             clientChannel.close();  
  31.             latch.countDown();  
  32.         } catch (IOException e) {  
  33.         }  
  34.     }  
  35. }  

    ReadHandler:

[java] view plain copy
 print?
  1. package com.anxpp.io.calculator.aio.client;  
  2. import java.io.IOException;  
  3. import java.io.UnsupportedEncodingException;  
  4. import java.nio.ByteBuffer;  
  5. import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;  
  6. import java.nio.channels.CompletionHandler;  
  7. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  8. public class ReadHandler implements CompletionHandler {  
  9.     private AsynchronousSocketChannel clientChannel;  
  10.     private CountDownLatch latch;  
  11.     public ReadHandler(AsynchronousSocketChannel clientChannel,CountDownLatch latch) {  
  12.         this.clientChannel = clientChannel;  
  13.         this.latch = latch;  
  14.     }  
  15.     @Override  
  16.     public void completed(Integer result,ByteBuffer buffer) {  
  17.         buffer.flip();  
  18.         byte[] bytes = new byte[buffer.remaining()];  
  19.         buffer.get(bytes);  
  20.         String body;  
  21.         try {  
  22.             body = new String(bytes,"UTF-8");  
  23.             System.out.println("客户端收到结果:"+ body);  
  24.         } catch (UnsupportedEncodingException e) {  
  25.             e.printStackTrace();  
  26.         }  
  27.     }  
  28.     @Override  
  29.     public void failed(Throwable exc,ByteBuffer attachment) {  
  30.         System.err.println("数据读取失败...");  
  31.         try {  
  32.             clientChannel.close();  
  33.             latch.countDown();  
  34.         } catch (IOException e) {  
  35.         }  
  36.     }  
  37. }  

    这个API使用起来真的是很顺手。

    3.3、测试

    Test:

[java] view plain copy
 print?
  1. package com.anxpp.io.calculator.aio;  
  2. import java.util.Scanner;  
  3. import com.anxpp.io.calculator.aio.client.Client;  
  4. import com.anxpp.io.calculator.aio.server.Server;  
  5. /** 
  6.  * 测试方法 
  7.  * @author yangtao__anxpp.com 
  8.  * @version 1.0 
  9.  */  
  10. public class Test {  
  11.     //测试主方法  
  12.     @SuppressWarnings("resource")  
  13.     public static void main(String[] args) throws Exception{  
  14.         //运行服务器  
  15.         Server.start();  
  16.         //避免客户端先于服务器启动前执行代码  
  17.         Thread.sleep(100);  
  18.         //运行客户端   
  19.         Client.start();  
  20.         System.out.println("请输入请求消息:");  
  21.         Scanner scanner = new Scanner(System.in);  
  22.         while(Client.sendMsg(scanner.nextLine()));  
  23.     }  
  24. }  

    我们可以在控制台输入我们需要计算的算数字符串,服务器就会返回结果,当然,我们也可以运行大量的客户端,都是没有问题的,以为此处设计为单例客户端,所以也就没有演示大量客户端并发。

    读者可以自己修改Client类,然后开辟大量线程,并使用构造方法创建很多的客户端测试。

    下面是其中一次参数的输出:

 
  
  1. 服务器已启动,端口号:12345
  2. 请输入请求消息:
  3. 客户端成功连接到服务器...
  4. 连接的客户端数:1
  5. 123456+789+456
  6. 服务器收到消息: 123456+789+456
  7. 客户端收到结果:124701
  8. 9526*56
  9. 服务器收到消息: 9526*56
  10. 客户端收到结果:533456
  11. ...

    AIO是真正的异步非阻塞的,所以,在面对超级大量的客户端,更能得心应手。

    下面就比较一下,几种I/O编程的优缺点。

4、各种I/O的对比

    先以一张表来直观的对比一下:

    03

    具体选择什么样的模型或者NIO框架,完全基于业务的实际应用场景和性能需求,如果客户端很少,服务器负荷不重,就没有必要选择开发起来相对不那么简单的NIO做服务端;相反,就应考虑使用NIO或者相关的框架了。

5、附录

    上文中服务端使用到的用于计算的工具类:

 
  

  1. package com.anxpp.utils;
  1. import javax.script.ScriptEngine;
  1. import javax.script.ScriptEngineManager;
  1. import javax.script.ScriptException;
  1. public final class Calculator {
  1. private final static ScriptEngine jse = new ScriptEngineManager().getEngineByName("JavaScript");
  1. public static Object cal(String expression) throws ScriptException{
  1. return jse.eval(expression);
  1. }
  1. }

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