按照《Unix網絡編程》的劃分，IO模型可以分為：阻塞IO、非阻塞IO、IO復用、信號驅動IO和異步IO，按照POSIX標准來劃分只分為兩類：同步IO和異步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和異步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、信號驅動IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系統幫你做完IO操作再將結果返回給你，那麼就是異步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異步IO（包括文件和網絡），這裡主要介紹下異步網絡IO API的使用以及框架的設計，以TCP服務端為例。首先看下為了支持AIO引入的新的類和接口：
java.nio.channels.AsynchronousChannel
標記一個channel支持異步IO操作。
java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel
ServerSocket的aio版本，創建TCP服務端，綁定地址，監聽端口等。
java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel
面向流的異步socket channel，表示一個連接。
java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup
異步channel的分組管理，目的是為了資源共享。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創建的時候可以傳入一個 AsynchronousChannelGroup，那麼通過AsynchronousServerSocketChannel創建的 AsynchronousSocketChannel將同屬於一個組，共享資源。
java.nio.channels.CompletionHandler
異步IO操作結果的回調接口，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異步操作的結果：返回的Future模式或者注冊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，線程池的大小是性能的關鍵因素。AsynchronousChannelGroup允許綁定不同的線程池，通過三個靜態方法來創建：
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
需要根據具體應用相應調整，從框架角度出發，需要暴露這樣的配置選項給用戶。
在介紹完了aio引入的TCP的主要接口和類之後，我們來設想下一個aio框架應該怎麼設計。參考非阻塞nio框架的設計，一般都是采用Reactor模式，Reacot負責事件的注冊、select、事件的派發；相應地，異步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) -> 消息隊列是否為空，如果為空 -> 向Reactor注冊OP_WRITE，然後返回 -> Reactor select -> 觸發Writable，通知用戶線程去處理 ->先注銷Writable(很多人遇到的cpu 100%的問題就在於沒有注銷）,處理Writeable，如果沒有完全寫入，繼續注冊OP_WRITE。注意到，寫入的工作還是用戶線程在處理。
Proactor: send(msg) -> 消息隊列是否為空，如果為空,發起read異步調用，並注冊CompletionHandler，然後返回。 -> 操作系統負責將你的消息寫入，並返回結果（寫入的字節數）給Proactor -> Proactor派發CompletionHandler。可見，寫入的工作是操作系統在處理，無需用戶線程參與。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);
}
其中的泛型參數V表示IO調用的結果，而A是發起調用時傳入的attchment。
在初步介紹完aio引入的類和接口後，我們看看一個典型的tcp服務端是怎麼啟動的，怎麼接受連接並處理讀和寫，這裡引用的代碼都是yanf4j 的aio分支中的代碼，可以從svn checkout，svn地址: http://yanf4j.googlecode.com/svn/branches/yanf4j-aio
第一步，創建一個AsynchronousServerSocketChannel，創建之前先創建一個 AsynchronousChannelGroup，上文提到AsynchronousServerSocketChannel可以綁定一個 AsynchronousChannelGroup，那麼通過這個AsynchronousServerSocketChannel建立的連接都將同屬於一個AsynchronousChannelGroup並共享資源：
this.asynchronousChannelGroup = AsynchronousChannelGroup
.withCachedThreadPool(Executors.newCachedThreadPool(),
this.threadPoolSize);
然後初始化一個AsynchronousServerSocketChannel，通過open方法：
this.serverSocketChannel = AsynchronousServerSocketChannel
.open(this.asynchronousChannelGroup);
通過nio 2.0引入的SocketOption類設置一些TCP選項：
this.serverSocketChannel
.setOption(
StandardSocketOption.SO_REUSEADDR,true);
this.serverSocketChannel
.setOption(
StandardSocketOption.SO_RCVBUF,16*1024);
綁定本地地址：
this.serverSocketChannel
.bind(new InetSocketAddress("localhost",8080), 100);
其中的100用於指定等待連接的隊列大小(backlog)。完了嗎？還沒有，最重要的監聽工作還沒開始，監聽端口是為了等待連接上來以便accept產生一個AsynchronousSocketChannel來表示一個新建立的連接，因此需要發起一個accept調用，調用是異步的，操作系統將在連接建立後，將最後的結果——AsynchronousSocketChannel返回給你：
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，重復的accept調用將會拋出PendingAcceptException，後文提到的read和write也是如此。accept方法的第一個參數是你想傳給CompletionHandler的attchment，第二個參數就是注冊的用於回調的CompletionHandler，最後返回結果Future<AsynchronousSocketChannel>。你可以對future做處理，這裡采用更推薦的方式就是注冊一個CompletionHandler。那麼accept的CompletionHandler中做些什麼工作呢？顯然一個赤裸裸的 AsynchronousSocketChannel是不夠的，我們需要將它封裝成session，一個session表示一個連接（mina裡就叫 IoSession了），裡面帶了一個緩沖的消息隊列以及一些其他資源等。在連接建立後，除非你的服務器只准備接受一個連接，不然你需要在後面繼續調用pendingAccept來發起另一個accept請求：
private final class AcceptCompletionHandler implements
CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object> {
@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，我們在failed和completed方法中在最後都調用了pendingAccept來繼續發起accept調用，等待新的連接上來。有的同學可能要說了，這樣搞是不是遞歸調用，會不會堆棧溢出？實際上不會，因為發起accept調用的線程與CompletionHandler回調的線程並非同一個，不是一個上下文中，兩者之間沒有耦合關系。要注意到，CompletionHandler的回調共用的是 AsynchronousChannelGroup綁定的線程池，因此千萬別在回調方法中調用阻塞或者長時間的操作，例如sleep，回調方法最好能支持超時，防止線程池耗盡。
連接建立後，怎麼讀和寫呢？回憶下在nonblocking nio框架中，連接建立後的第一件事是干什麼？注冊OP_READ事件等待socket可讀。異步IO也同樣如此，連接建立後馬上發起一個異步read調用，等待socket可讀，這個是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調用與AsynchronousServerSocketChannel的accept調用類似，同樣是非阻塞的，返回結果也是一個Future，但是寫的結果是整數，表示寫入了多少字節，因此read調用返回的是 Future<Integer>，方法的第一個參數是讀的緩沖區，操作系統將IO讀到數據拷貝到這個緩沖區，第二個參數是傳遞給 CompletionHandler的attchment，第三個參數就是注冊的用於回調的CompletionHandler。這裡保存了read的結果Future，這是為了在關閉連接的時候能夠主動取消調用，accept也是如此。現在可以看看read的CompletionHandler的實現：
public final class ReadCompletionHandler implements
CompletionHandler<Integer, AbstractAioSession> {
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讀失敗，會返回失敗產生的異常，這種情況下我們就主動關閉連接，通過session.close()方法，這個方法干了兩件事情：關閉channel和取消read調用：
if (null != this.readFuture) {
this.readFuture.cancel(true);
}
this.asynchronousSocketChannel.close();
在讀成功的情況下，我們還需要判斷結果result是否小於0，如果小於0就表示對端關閉了，這種情況下我們也主動關閉連接並返回。如果讀到一定字節，也就是result大於0的情況下，我們就嘗試從讀緩沖區中decode出消息，並派發給業務處理器的回調方法，最終通過pendingRead繼續發起read調用等待socket的下一次可讀。可見，我們並不需要自己去調用channel來進行IO讀，而是操作系統幫你直接讀到了緩沖區，然後給你一個結果表示讀入了多少字節，你處理這個結果即可。而nonblocking IO框架中，是reactor通知用戶線程socket可讀了，然後用戶線程自己去調用read進行實際讀操作。這裡還有個需要注意的地方，就是decode出來的消息的派發給業務處理器工作最好交給一個線程池來處理，避免阻塞group綁定的線程池。
IO寫的操作與此類似，不過通常寫的話我們會在session中關聯一個緩沖隊列來處理，沒有完全寫入或者等待寫入的消息都存放在隊列中，隊列為空的情況下發起write調用：
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調用返回的結果與read一樣是一個Future<Integer>，而write的CompletionHandler處理的核心邏輯大概是這樣：
@Override
public void completed(Integer result, AbstractAioSession session) {
if (log.isDebugEnabled())
log.debug("Session(" + session.getRemoteSocketAddress()
+ ") writen " + result + " bytes");
WriteMessage writeMessage;
Queue<WriteMessage> writeQueue = 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就是實際寫入的字節數，然後我們判斷消息的緩沖區是否還有剩余，如果沒有就將消息從隊列中移除，如果隊列中還有消息，那麼繼續發起write調用。
重復一下，這裡引用的代碼都是yanf4j aio分支中的源碼，感興趣的朋友可以直接check out出來看看: http://yanf4j.googlecode.com/svn/branches/yanf4j-aio。
在引入了aio之後，java對於網絡層的支持已經非常完善，該有的都有了，java也已經成為服務器開發的首選語言之一。java的弱項在於對內存的管理上，由於這一切都交給了GC，因此在高性能的網絡服務器上還是Cpp的天下。java這種單一堆模型比之erlang的進程內堆模型還是有差距，很難做到高效的垃圾回收和細粒度的內存管理。
這裡僅僅是介紹了aio開發的核心流程，對於一個網絡框架來說，還需要考慮超時的處理、緩沖buffer的處理、業務層和網絡層的切分、可擴展性、性能的可調性以及一定的通用性要求。
