段楠

（吉林大學(xué)軟件學(xué)院，長春130000）

1 網(wǎng)絡(luò)通訊的方式

在網(wǎng)絡(luò)通訊的開發(fā)中，存在著同步/異步、阻塞/非阻塞的多種方式，不同方式的軟件性能與開發(fā)成本各不相同，可根據(jù)軟件需求進行選擇。以下介紹同步/異步、阻塞/非阻塞在網(wǎng)絡(luò)通訊中的概念，和應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)內(nèi)核之間同步/異步、阻塞/非阻塞的概念不盡相同。

1.1 同步與異步

同步與異步在網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境下更傾向于對客戶端通訊方式的描述。

同步是指客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求后，必須等到服務(wù)器的響應(yīng)到來才可進行下一步操作。

異步是指客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求后，不必等待服務(wù)器響應(yīng)并可繼續(xù)其他操作，待服務(wù)器發(fā)來響應(yīng)后，客戶端會得到I/O 操作完成的通知，只需對結(jié)果進行處理即可。

1.2 阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞在網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境下更傾向于對服務(wù)器通訊方式的描述。

阻塞是指服務(wù)器在接受某個客戶端的請求后，觸發(fā)相應(yīng)函數(shù)，無論能不能執(zhí)行都會一直等待，直到當(dāng)前函數(shù)執(zhí)行結(jié)束后才能進行下一步操作。

非阻塞是指服務(wù)器在接收客戶端的請求后，向操作系統(tǒng)注冊I/O 監(jiān)聽，如果當(dāng)前不能讀寫會立刻返回并執(zhí)行其他操作。當(dāng)讀寫可執(zhí)行時，操作系統(tǒng)會通知服務(wù)器應(yīng)用程序執(zhí)行讀寫操作，觸發(fā)相應(yīng)函數(shù)。

1.3 Java的三種網(wǎng)絡(luò)通訊方式

Java 在網(wǎng)絡(luò)通訊方面最早只有實現(xiàn)同步阻塞方式的BIO 組件，BIO 服務(wù)器的實現(xiàn)方式為給每一個客戶端的連接提供一個進程。即使當(dāng)前客戶端沒有執(zhí)行任何操作，該線程也會一直阻塞等待。這種方式顯然會帶來很大的資源浪費。在這種方式下實現(xiàn)并發(fā)連接需要對服務(wù)器使用多線程技術(shù)，為每個客戶端連接增加一個新的線程?？梢?，這種方式會消耗大量的資源。

在JDK 1.4 之后，Java 開始支持同步非阻塞的通訊方式，即NIO 組件。NIO 服務(wù)器的實現(xiàn)方式為給每個客戶端的請求提供一個線程?？蛻舳说倪B接會注冊到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器進行輪詢，當(dāng)某個連接有I/O請求時啟動一個線程進行處理。

在JDK 7 之后，Java 推出了具有異步非阻塞通訊功能的AIO 組件。AIO 服務(wù)器的實現(xiàn)方式為給每個有效請求提供一個進程。即操作系統(tǒng)對I/O 請求執(zhí)行完之后，再通知服務(wù)器應(yīng)用程序啟動線程進行處理。

以上三種通訊方式可根據(jù)軟件應(yīng)用的具體需求進行選擇。BIO 適合并發(fā)量較小的應(yīng)用，且對服務(wù)器的資源要求較高。但實現(xiàn)方式簡單，可快速開發(fā)。NIO適合并發(fā)量較大且多數(shù)為短連接的應(yīng)用，實現(xiàn)方式較為復(fù)雜。AIO 適合并發(fā)量較大且多數(shù)為長連接的應(yīng)用，會調(diào)動操作系統(tǒng)實現(xiàn)并發(fā)操作，實現(xiàn)方式較為復(fù)雜。

2 異步非阻塞通訊

2.1 異步非阻塞

同步/異步、阻塞/非阻塞原本是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)交互時的一組概念。同步與異步指的是應(yīng)用程序的方法調(diào)用是否需要等待結(jié)果的返回，才能進行其他操作。阻塞與非阻塞指的是一個讀寫操作是否需要等待操作系統(tǒng)內(nèi)核的所有讀寫完成，才算完成。而在網(wǎng)絡(luò)通訊中這組概念使用的也是系統(tǒng)內(nèi)核中的基本原理，因此了解系統(tǒng)內(nèi)核中異步非阻塞的原理是十分有必要的。

在應(yīng)用程序與系統(tǒng)內(nèi)核交互中，異步指的是，應(yīng)用程序調(diào)用讀寫操作方法后，不須一直等待結(jié)果的返回，而是可以繼續(xù)進行其他的操作。當(dāng)讀寫完成后，會由操作系統(tǒng)通知到應(yīng)用程序，再由應(yīng)用程序?qū)Y(jié)果進行處理。

非阻塞是指在系統(tǒng)底層，進行一個讀寫操作時CPU 無須等待當(dāng)前操作的所有內(nèi)核I/O 全部完成，而是每個內(nèi)核I/O 完成之后會立刻返回一個狀態(tài)，此時CPU 就可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。當(dāng)某個讀寫操作的內(nèi)核I/O 全部完成之后，該讀寫操作完成。而CPU 需要判斷某個讀寫操作當(dāng)前是否有內(nèi)核I/O 請求，以及確認讀寫操作是否完成并取得數(shù)據(jù)，這就需要CPU 對讀寫操作的控制機制。主要有“輪詢”和“中斷”兩種機制?！拜喸儭笔侵窩PU 通過循環(huán)對所有I/O 訪問，得知當(dāng)前讀寫操作的狀態(tài)。輪詢過程中應(yīng)用程序需要等待CPU的詢問，因此是一種同步非阻塞的方式?！爸袛唷笔侵缸x寫操作有I/O 請求時主動請求CPU 為其分配內(nèi)核資源。而應(yīng)用程序在發(fā)送讀寫請求后只需等待系統(tǒng)將結(jié)果返回即可，此時可執(zhí)行其他操作，因此時一種異步非阻塞的方式。

系統(tǒng)內(nèi)核層面的異步非阻塞，與網(wǎng)絡(luò)通訊層面的異步非阻塞原理大致相同，只是描述對象有所差別。上述“輪詢”方式類似于Java NIO 的實現(xiàn)方式，服務(wù)器對客戶端的請求進行輪詢處理，來查找某個客戶端是

否有數(shù)據(jù)請求。上述“中斷”方式類似于Java AIO 的實現(xiàn)方式，客戶端的請求到來后，首先由操作系統(tǒng)進行I/O操作，然后將結(jié)果通知給服務(wù)器應(yīng)用程序，進行一些處理后再返回響應(yīng)給客戶端。此時客戶端不需要等待服務(wù)器的輪詢，只需等待結(jié)果即可。Java AIO 顯然是一種異步非阻塞的通訊方式，以下詳細闡述該技術(shù)。

2.2 Java異步非阻塞通訊原理

Java 異步非阻塞通訊組件AIO 使用“訂閱-通知”方式進行實現(xiàn)。即服務(wù)器應(yīng)用程序向操作系統(tǒng)注冊I/O監(jiān)聽，當(dāng)操作系統(tǒng)完成I/O 操作之后，通知服務(wù)器應(yīng)用程序進行處理，觸發(fā)相應(yīng)函數(shù)。

在服務(wù)器應(yīng)用程序中，當(dāng)需要讀寫時只需調(diào)用read 和write 方法。這兩種方法都是非阻塞的。進行read 操作時，操作系統(tǒng)將客戶端的I/O 請求處理完成后，將數(shù)據(jù)放入read 的緩沖區(qū)，并通知服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進行處理。進行write 操作時，服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)寫入write 緩沖區(qū)，操作系統(tǒng)從緩沖區(qū)取得數(shù)據(jù)并進行I/O 操作，操作完成后通知服務(wù)器應(yīng)用程序進行回調(diào)操作。read 和write 可在讀寫操作完成后通過回調(diào)函數(shù)的方式進行回調(diào)操作。回調(diào)方法包括completed方法和failed 方法。completed 方法在讀寫操作成功后回調(diào)執(zhí)行，一般會在其中對ByteBuffer 數(shù)據(jù)進行業(yè)務(wù)邏輯處理，以及遞歸調(diào)用下一個讀寫操作。failed 方法在讀寫操作失敗后回調(diào)執(zhí)行，一般向控制臺或日志文件打印異常信息。

AIO 中有如下幾個重要元素：

Channel：是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的通道，通過該通道可實現(xiàn)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。Channel 包括：AsynchronousServerSocketChannel，實現(xiàn)服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)Σ僮飨到y(tǒng)的監(jiān)聽與操作系統(tǒng)對服務(wù)器應(yīng)用程序的通知。AsynchronousSocketChannel，實現(xiàn)服務(wù)器對TCP 套接字的監(jiān)聽。DatagramChannel，實現(xiàn)服務(wù)器對UDP 套接字的監(jiān)聽。AsynchronousFileChannel，實現(xiàn)服務(wù)器應(yīng)用程序?qū)ξ募?shù)據(jù)I/O 的監(jiān)聽。

ByteBuffer：為每一種Channel 提供的數(shù)據(jù)緩存區(qū)，用于Channel 中數(shù)據(jù)的交換。ByteBuffer 中有一個指向當(dāng)前讀寫位置的索引，每次讀寫結(jié)束后會停留在最后數(shù)據(jù)的位置。因此每個ByteBuffer 對應(yīng)的通道在每次讀操作前，需要使用flip 方法將該索引回到初始位置。每次讀操作后，需要使用clear 方法將ByteBuffer清空，以便下次讀入。

Attachment：通道的附件，在嵌套或遞歸的讀寫操作中起到上下文的作用。

3 Java異步非阻塞通訊實現(xiàn)

以時間發(fā)送程序為例，給出Java AIO 實現(xiàn)的一個簡單示范。服務(wù)器每收到一個客戶端請求，就發(fā)送系統(tǒng)當(dāng)前時間響應(yīng)給客戶端。

3.1 服務(wù)器關(guān)鍵代碼

首先創(chuàng)建AsynchronousServerSocketChannel，可以用線程池的方式創(chuàng)建。

ExecutorService executor=Executors.newFixedThreadPool（20）;

AsynchronousChannelGroup group=AsynchronousChannel-Group.withThreadPool（executor）;

AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel=AsynchronousServerSocketChannel.open（group）;

然后對指定的主機及端口進行綁定，并監(jiān)聽發(fā)來的連接請求。監(jiān)聽方法中一定要綁定回調(diào)方法來執(zhí)行監(jiān)聽成功后的下一步操作。需要自己編寫Completion-Handler 接口的實現(xiàn)類，并重寫completed 與failed方法。

serverSocketChannel.bind （new InetSocketAddress （"0.0.0.0",33335））;

serverSocketChannel.accept（null,new AcceptHandler（serverSocketChannel））;

以下為CompletionHandler 接口的實現(xiàn)類AcceptHandler 的completed 方法，參數(shù)需要Asynchronous-SocketChannel 作為當(dāng)前連接客戶端的通道，attachment可根據(jù)需要決定是否傳入有效數(shù)據(jù)。

public void completed（AsynchronousSocketChannel socketChannel,Object attachment）

遞歸進行客戶端連接監(jiān)聽。

serverSocketChannel.accept（attachment,this）;

讀取客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)。將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)用ByteBuffer 封裝并傳入第一個參數(shù)。第二個參數(shù)為attachment，如不需要上下文對象可傳入null。第三個參數(shù)即回調(diào)方法類，可使用匿名內(nèi)部類的方式實現(xiàn)。

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate（1024）;

socketChannel.read（buffer,null,new CompletionHandler（）{

讀取客戶端發(fā)來的消息并解碼。

buffer.flip（）;

String request=StandardCharsets.UTF_8.decode（buffer）.toString（）;

處理業(yè)務(wù)邏輯。write 方法向客戶端寫入響應(yīng)數(shù)據(jù)，由于不需要遞歸調(diào)用所以只傳入數(shù)據(jù)緩沖參數(shù)即可。

if（request.equals（"time"））{

SimpleDateFormat sdf=new SimpleDateFormat（"yyyy-MM-dd HH:mm:ss"）;

String date=sdf.format（new Date（））;

socketChannel.write（ByteBuffer.wrap（date.getBytes（"utf-8"）））.get（）;

}else{

socketChannel.write（ByteBuffer.wrap（"非法輸入".get-Bytes（"utf-8"）））.get（）;

}

遞歸進行下次數(shù)據(jù)讀取。

buffer.clear（）;

socketChannel.read（buffer,null,this）;

3.2 客戶端關(guān)鍵代碼

客戶端首先要打開AsynchronousSocketChannel 并連接服務(wù)器。

AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open（）;

socketChannel.connect （new InetSocketAddress （"127.0.0.1",33335））.get（）;

執(zhí)行寫操作，給服務(wù)器發(fā)送請求。

socketChannel.write （ByteBuffer.wrap （request.getBytes（"utf-8"））,null,newCompletionHandler（）

讀取服務(wù)器發(fā)來的響應(yīng)。

ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate（1024）;

socketChannel.read（buffer,null,new CompletionHandler（）

進行輸出，之后清空緩沖區(qū)。

buffer.flip（）;

String response=StandardCharsets.UTF_8.decode（buffer）.toString（）;

System.out.println（response）;

buffer.clear（）;

遞歸調(diào)用下次寫操作，實現(xiàn)客戶端可重復(fù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

String request=in.readLine（）;

socketChannel.write （ByteBuffer.wrap （request.getBytes（"utf-8"））,null,this）;

4 結(jié)語

本文首先介紹了同步與異步、阻塞與非阻塞的概念，從操作系統(tǒng)內(nèi)核的原始原理到網(wǎng)絡(luò)通訊的具體情形對異步非阻塞進行了具體闡述。然后以Java 開發(fā)為例，給出了異步非阻塞網(wǎng)絡(luò)通訊的具體實例。闡述了Java AIO 的基本原理，示范了其實現(xiàn)的具體方式。