手動搭建I/O網路通訊框架4：AIO程式設計模型，聊天室終極改造
第一章：手動搭建I/O網路通訊框架1：Socket和ServerSocket入門實戰，實現單聊
第二章：手動搭建I/O網路通訊框架2：BIO程式設計模型實現群聊
第三章：手動搭建I/O網路通訊框架3：NIO程式設計模型，升級改造聊天室
上一章講到的NIO程式設計模型比較主流，非常著名的Netty就是基於NIO程式設計模型的。這一章說的是AIO程式設計模型，是非同步非阻塞的。雖然同樣實現的是聊天室功能，但是實現邏輯上稍微要比NIO和BIO複雜一點。不過理好整體脈絡，會好理解一些。首先還是講講概念：
BIO和NIO的區別是阻塞和非阻塞，而AIO代表的是非同步IO。在此之前只提到了阻塞和非阻塞，沒有提到非同步還是同步。可以用我在知乎上看到的一句話表示：【在處理 IO 的時候，阻塞和非阻塞都是同步 IO，只有使用了特殊的 API 才是非同步 IO】。這些“特殊的API”下面會講到。在說AIO之前，先總結一下阻塞非阻塞、非同步同步的概念。
阻塞和非阻塞，描述的是結果的請求。阻塞：在得到結果之前就一直呆在那，啥也不幹，此時執行緒掛起，就如其名，執行緒被阻塞了。非阻塞：如果沒得到結果就返回，等一會再去請求，直到得到結果為止。非同步和同步，描述的是結果的發出，當呼叫方的請求進來。同步：在沒獲取到結果前就不返回給呼叫方，如果呼叫方是阻塞的，那麼呼叫方就會一直等著。如果呼叫方是非阻塞的，呼叫方就會先回去，等一會再來問問得到結果沒。非同步：呼叫方一來，如果是非阻塞的叫它先回去，待會有結果了再告訴你。如果是阻塞的，雖然非同步會通知他，但他還是要等著，實屬鐵憨憨。
AIO中的非同步操作
CompletionHandler
在AIO程式設計模型中，常用的API，如connect、accept、read、write都是支援非同步操作的。當呼叫這些方法時，可以攜帶一個CompletionHandler引數，它會提供一些回撥函式。這些回撥函式包括：1.當這些操作成功時你需要怎麼做；2.如果這些操作失敗了你要這麼做。關於這個CompletionHandler引數，你只需要寫一個類實現CompletionHandler口，並實現裡面兩個方法就行了。
那如何在呼叫connect、accept、read、write這四個方法時，傳入CompletionHandler引數從而實現非同步呢？下面分別舉例這四個方法的使用。
先說說Socket和ServerSocket，在NIO中，它們變成了通道，配合緩衝區，從而實現了非阻塞。而在AIO中它們變成了非同步通道。也就是AsynchronousServerSocketChannel和AsynchronousSocketChannel,下面例子中物件名分別是serverSocket和socket.
accept：serverSocket.accept(attachment,handler)。handler就是實現了CompletionHandler介面並實現兩個回撥函式的類，它具體怎麼寫可以看下面的實戰程式碼。attachment為handler裡面可能需要用到的輔助資料，如果沒有就填null。
read：socket.read(buffer,attachment,handler)。buffer是緩衝區，用以存放讀取到的資訊。後面兩個引數和accept一樣。
write：socket.write(buffer,attachment,handler)。和read引數一樣。
connect：socket.connect(address,attachment,handler)。address為伺服器的IP和埠，後面兩個引數與前幾個一樣。
Future
既然說到了非同步操作，除了使用實現CompletionHandler介面的方式，不得不想到Future。客戶端邏輯較為簡單，如果使用CompletionHandler的話程式碼反而更復雜，所以下面的實戰客戶端程式碼就會使用Future的方式。簡單來說，Future表示的是非同步操作未來的結果，怎麼理解未來。比如，客戶端呼叫read方法獲取伺服器發來得訊息：
Future<Integer> readResult=clientChannel.read(buffer)
Integer是read()的返回型別，此時變數readResult實際上並不一定有資料，而是表示read()方法未來的結果，這時候readResult有兩個方法，isDone()：返回boolean，檢視程式是否完成處理，如果返回true，有結果了，這時候可以通過get()獲取結果。如果你不事先判斷isDone()直接呼叫get()也行，只不過它是阻塞的。如果你不想阻塞，想在這期間做點什麼，就用isDone()。
還有一個問題：這些handler的方法是在哪個執行緒執行的？serverSocket.accept這個方法肯定是在主執行緒裡面呼叫的，而傳入的這些回撥方法其實是在其他執行緒執行的。在AIO中，會有一個AsynchronousChannelGroup，它和AsynchronousServerSocketChannel是繫結在一起的，它會為這些非同步通道提供系統資源，執行緒就算其中一種系統資源，所以為了方便理解，我們暫時可以把他看作一個執行緒池，它會為這些handler分配執行緒，而不是在主執行緒中去執行。
AIO程式設計模型
上面只說了些零碎的概念，為了更好的理解，下面講一講大概的工作流程(主要針對伺服器，客戶端邏輯較為簡單，程式碼註釋也比較少，可以看前面幾章)：
1.首先做準備工作。跟NIO一樣，先要建立好通道，只不過AIO是非同步通道。然後建立好AsyncChannelGroup，可以選擇自定義執行緒池。最後把AsyncServerSocket和AsyncChannelGroup繫結在一起，這樣處於同一個AsyncChannelGroup裡的通道就可以共享系統資源。
2.最後一步準備工作，建立好handler類，並實現介面和裡面兩個回撥方法。（如圖：客戶端1對應的handler,裡面的回撥方法會實現讀取訊息和轉發訊息的功能；serverSocket的handler裡的回撥方法會實現accept功能。）
3.準備工作完成，當客戶端1連線請求進來，客戶端會馬上回去，ServerSocket的非同步方法會在連線成功後把客戶端的SocketChannel存進線上使用者列表，並利用客戶端1的handler開始非同步監聽客戶端1傳送的訊息。
4.當客戶端1傳送訊息時，如果上一步中的handler成功監聽到，就會回撥成功後的回撥方法，這個方法裡會把這個訊息轉發給其他客戶端。轉發完成後，接著利用handler監聽客戶端1傳送的訊息。
程式碼一共有三個類：
ChatServer：功能基本上和上面講的工作流程差不多，還會有一些工具方法，都比較簡單，就不多說了，如：轉發訊息，客戶端下線後從線上列表移除客戶端等。
ChatClient：基本和前兩章的BIO、NIO沒什麼區別，一個執行緒監聽使用者輸入資訊併發送，主執行緒非同步的讀取伺服器資訊。
UserInputHandler：監聽使用者輸入資訊的執行緒。
ChatServer
public class ChatServer {
//設定緩衝區位元組大小
private static final int BUFFER = 1024;
//宣告AsynchronousServerSocketChannel和AsynchronousChannelGroup
private AsynchronousServerSocketChannel serverSocketChannel;
private AsynchronousChannelGroup channelGroup;
//線上使用者列表。為了併發下的執行緒安全，所以使用CopyOnWriteArrayList
//CopyOnWriteArrayList在寫時加鎖，讀時不加鎖，而本專案正好在轉發訊息時需要頻繁讀取.
//ClientHandler包含每個客戶端的通道，型別選擇為ClientHandler是為了在write的時候呼叫每個客戶端的handler
private CopyOnWriteArrayList<ClientHandler> clientHandlerList;
//字元和字串互轉需要用到，規定編碼方式，避免中文亂碼
private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
//通過建構函式設定監聽埠
private int port;
public ChatServer(int port) {
this.port = port;
clientHandlerList=new CopyOnWriteArrayList<>();
}
public void start() {
try {
/**
*建立一個執行緒池並把執行緒池和AsynchronousChannelGroup繫結，前面提到了AsynchronousChannelGroup包括一些系統資源，而執行緒就是其中一種。
*為了方便理解我們就暫且把它當作執行緒池，實際上並不止包含執行緒池。如果你需要自己選定執行緒池型別和數量，就可以如下操作
*如果不需要自定義執行緒池型別和數量，可以不用寫下面兩行程式碼。
* */
ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
channelGroup = AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(executorService);
serverSocketChannel=AsynchronousServerSocketChannel.open(channelGroup);
serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1",port));
System.out.println("伺服器啟動：埠【"+port+"】");
/**
* AIO中accept可以非同步呼叫，就用上面說到的CompletionHandler方式
* 第一個引數是輔助引數，回撥函式中可能會用上的，如果沒有就填null;第二個引數為CompletionHandler介面的實現
* 這裡使用while和System.in.read()的原因：
* while是為了讓伺服器保持執行狀態，前面的NIO，BIO都有用到while無限迴圈來保持伺服器執行，但是它們用的地方可能更好理解
* System.in.read()是阻塞式的呼叫，只是單純的避免無限迴圈而讓accept頻繁被呼叫，無實際業務功能。
*/
while (true) {
serverSocketChannel.accept(null, new AcceptHandler());
System.in.read();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally {
if(serverSocketChannel!=null){
try {
serverSocketChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
//AsynchronousSocketChannel為accept返回的型別，Object為輔助引數型別，沒有就填Object
private class AcceptHandler implements CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel,Object>{
//如果成功，執行的回撥方法
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel clientChannel, Object attachment) {
//如果伺服器沒關閉，在接收完當前客戶端的請求後，再次呼叫,以接著接收其他客戶端的請求
if(serverSocketChannel.isOpen()){
serverSocketChannel.accept(null,this);
}
//如果客戶端的channel沒有關閉
if(clientChannel!=null&&clientChannel.isOpen()){
//這個就是非同步read和write要用到的handler,並傳入當前客戶端的channel
ClientHandler handler=new ClientHandler(clientChannel);
//把新使用者新增到線上使用者列表裡
clientHandlerList.add(handler);
System.out.println(getPort(clientChannel)+"上線啦！");
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(BUFFER);
//非同步呼叫read,第一個buffer是存放讀到資料的容器，第二個是輔助引數。
//因為真正的處理是在handler裡的回撥函式進行的，輔助引數會直接傳進回撥函式，所以為了方便使用，buffer就當作輔助引數
clientChannel.read(buffer,buffer,handler);
}
}
//如果失敗，執行的回撥方法
@Override
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
System.out.println("連線失敗"+exc);
}
}
private class ClientHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>{
private AsynchronousSocketChannel clientChannel;
public ClientHandler(AsynchronousSocketChannel clientChannel) {
this.clientChannel = clientChannel;
}
@Override
public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
if(buffer!=null){
//如果read返回的結果小於等於0，而buffer不為空，說明客戶端通道出現異常，做下線操作
if(result<=0){
removeClient(this);
}else {
//轉換buffer讀寫模式並獲取訊息
buffer.flip();
String msg=String.valueOf(charset.decode(buffer));
//在伺服器上列印客戶端發來的訊息
System.out.println(getPort(clientChannel)+msg);
//把訊息轉發給其他客戶端
sendMessage(clientChannel,getPort(clientChannel)+msg);
buffer=ByteBuffer.allocate(BUFFER);
//如果使用者輸入的是退出，就從線上列表裡移除。否則接著監聽這個使用者傳送訊息
if(msg.equals("quit"))
removeClient(this);
else
clientChannel.read(buffer, buffer, this);
}
}
}
@Override
public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
System.out.println("客戶端讀寫異常："+exc);
}
}
//轉發訊息的方法
private void sendMessage(AsynchronousSocketChannel clientChannel,String msg){
for(ClientHandler handler:clientHandlerList){
if(!handler.clientChannel.equals(clientChannel)){
ByteBuffer buffer=charset.encode(msg);
//write不需要buffer當輔助引數，因為寫到客戶端的通道就完事了，而讀還需要回調函式轉發給其他客戶端。
handler.clientChannel.write(buffer,null,handler);
}
}
}
//根據客戶端channel獲取對應埠號的方法
private String getPort(AsynchronousSocketChannel clientChannel){
try {
InetSocketAddress address=(InetSocketAddress)clientChannel.getRemoteAddress();
return "客戶端["+address.getPort()+"]:";
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return "客戶端[Undefined]:";
}
}
//移除客戶端
private void removeClient(ClientHandler handler){
clientHandlerList.remove(handler);
System.out.println(getPort(handler.clientChannel)+"斷開連線...");
if(handler.clientChannel!=null){
try {
handler.clientChannel.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new ChatServer(8888).start();
}
}
ChatClient
public class ChatClient {
private static final int BUFFER = 1024;
private AsynchronousSocketChannel clientChannel;
private Charset charset = Charset.forName("UTF-8");
private String host;
private int port;
//設定伺服器IP和埠
public ChatClient(String host, int port) {
this.host = host;
this.port = port;
}
public void start() {
try {
clientChannel = AsynchronousSocketChannel.open();
//連線伺服器
Future<Void> future = clientChannel.connect(new InetSocketAddress(host, port));
future.get();
//新建一個執行緒去等待使用者輸入
new Thread(new UserInputHandler(this)).start();
ByteBuffer buffer=ByteBuffer.allocate(BUFFER);
//無限迴圈讓客戶端保持執行狀態
while (true){
//獲取伺服器發來的訊息並存入到buffer
Future<Integer> read=clientChannel.read(buffer);
if(read.get()>0){
buffer.flip();
String msg=String.valueOf(charset.decode(buffer));
System.out.println(msg);
buffer.clear();
}else {
//如果read的結果小於等於0說明和伺服器連接出現異常
System.out.println("伺服器斷開連線");
if(clientChannel!=null){
clientChannel.close();
}
System.exit(-1);
}
}
} catch (IOException | InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void send(String msg) {
if (msg.isEmpty())
return;
ByteBuffer buffer = charset.encode(msg);
Future<Integer> write=clientChannel.write(buffer);
try {
//獲取傳送結果，如果get方法發生異常說明發送失敗
write.get();
} catch (ExecutionException|InterruptedException e) {
System.out.println("訊息傳送失敗");
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
new ChatClient("127.0.0.1",8888).start();
}
}
UserInputHandler
public class UserInputHandler implements Runnable {
ChatClient client;
public UserInputHandler(ChatClient chatClient) {
this.client=chatClient;
}
@Override
public void run() {
BufferedReader read=new BufferedReader(
new InputStreamReader(System.in)
);
while (true){
try {
String input=read.readLine();
client.send(input);
if(input.equals("quit"))
break;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
執行測試: