AIO Socket 编程原理篇同步: 是指应用进程触发IO操作后，等待或者轮询查看IO状态是否改变。异步: 是指应

Socket介绍

Socket分为如下几种：BIO、NIO、AIO，在了解每种Socket之前，首先要了解几个概念：

Socket相关概念

同步: 是指应用进程触发IO操作后，等待或者轮询查看IO状态是否改变。
异步: 是指应用进程触发IO操作后，就去执行其它任务，当有内核进程通知应用进程IO状态发生改变，应用进程根据最新的状态进行IO操作。
阻塞: 是指当IO状态改变后，进行相关IO操作时，如果IO被占用，一直处于等待，直到IO可用为止。
非阻塞: 是指当IO状态改变后，进行相关IO操作时，如果IO被占用，马上返回操作结果值，当IO就绪时，IO函数会通知最新的IO状态，从而继续进行IO操作。

了解以上几个概念之后，通过不同的组合，就会形成Socket的几个种类：BIO、NIO、AIO

同步阻塞（BIO）: 代码行为模式为一个连接在一个线程中运行，在每个线程中如果IO处于阻塞状态，就是指一直等待IO准备就绪，知道可以继续进行操作。可用线程池提高处理性能。
同步非阻塞（NIO）：代码行为模式为一个请求一个线程。每一个连接通道都会注册到多路复用器上，多路复用器会轮询所有连接通道，发现有IO请求时会启动一个线程进行处理。多路复用器需要再一个单独的线程中去执行轮询操作。
异步阻塞（NIO）：代码行为模式为当应用发起IO操作后，马上就会受到状态回复，当内核处理完IO操作后，通知应用程序IO最新状态。在OS内核层，系统会调用select系统调用对IO进行处理，select会同时监听多个文件句柄，提高了并发性，但是对于每个文件句柄的读写操作时阻塞的。
异步非阻塞（AIO）：代码行为模式为应用进程发起一个IO操作后立即返回，等内核处理完IO操作后，会通知应用进程IO数据，应用进程取得数据进行处理即可。

AIO

jdk7中新增了一些与文件(网络)I/O相关的一些api。这些API被称为NIO.2，或称为AIO(Asynchronous I/O)。AIO最大的一个特性就是异步能力，这种能力对socket与文件I/O都起作用。AIO其实是一种在读写操作结束之前允许进行其他操作的I/O处理。AIO是对JDK1.4中提出的同步非阻塞I/O(NIO)的进一步增强。

jdk7主要增加了三个新的异步通道:

AsynchronousFileChannel: 用于文件异步读写；
AsynchronousSocketChannel: 客户端异步socket；
AsynchronousServerSocketChannel: 服务器异步socket。

先谈谈NIO

前文提到AIO被称为NIO.2版本，也就是在NIO的基础上的扩展，那么不妨先了解下NIO核心功能

NIO 由以下几个核心部分组成：

Channels
Buffers
Selectors

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件，但在我看来，Channel，Buffer 和 Selector 构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。因此，在概述中我将集中在这三个组件上。

Channel 和 Buffer

基本上，所有的 IO 在NIO 中都从一个Channel 开始。Channel 有点象流，但又有些不同。数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer 写到Channel中。这里有个图示：

Channel 和 Buffer

Selector

Selector允许单线程处理多个 Channel。如果你的应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。

这是在一个单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

Selector

Buffer缓冲区

一个Buffer对象是固定数量的数据的容器。其作用是一个存储器，或者分段运输区，在这里数据可被存储并在之后用于检索。缓冲区的工作与通道紧密联系。

Buffer的基本用法

使用Buffer读写数据一般遵循以下四个步骤：

写入数据到Buffer
调用flip()方法
从Buffer中读取数据
调用clear()方法或者compact()方法

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据。一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式。在读模式下，可以读取之前写入到buffer的所有数据。

一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。有两种方式能清空缓冲区：调用clear()或compact()方法。clear()方法会清空整个缓冲区。compact()方法只会清除已经读过的数据。任何未读的数据都被移到缓冲区的起始处，新写入的数据将放到缓冲区未读数据的后面。

缓冲区属性

Capacity: 容量, 缓冲区能够容纳的数据元素的最大数量。这一容量在缓冲区创建时被设定，并且永远不能被改变;
Limit: 上界, 缓冲区的第一个不能被读或写的元素。或者说，缓冲区中现存元素的计数;
Position: 位置, 下一个要被读或写的元素的索引。位置会自动由相应的get()和put()函数更新;
Mark: 标记, 一个备忘位置。调用mark()来设定mark=postion。调用reset()设定position= mark。标记在设定前是未定义的(undefined)。

这四个属性之间总是循以下关系:0 <= mark <= position <= limit <= capacity。

Buffer的分配

要想获得一个Buffer对象首先要进行分配。每一个Buffer类都有一个allocate方法。下面是一个分配48字节capacity的ByteBuffer的例子。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);

向Buffer中写数据

写数据到Buffer有两种方式：

从Channel写到Buffer。
通过Buffer的put()方法写到Buffer里。

从Channel写到Buffer的例子

int bytesRead = inChannel.read(buf); //read into buffer.

通过put方法写Buffer的例子：

buf.put(127);

put方法有很多版本，允许你以不同的方式把数据写入到Buffer中。例如，写到一个指定的位置，或者把一个字节数组写入到Buffer。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

flip()方法

flip方法将Buffer从写模式切换到读模式。调用flip()方法会将position设回0，并将limit设置成之前position的值。

从Buffer中读取数据

从Buffer中读取数据有两种方式：

从Buffer读取数据到Channel。
使用get()方法从Buffer中读取数据。

从Buffer读取数据到Channel的例子：

//read from buffer into channel.
int bytesWritten = inChannel.write(buf);

使用get()方法从Buffer中读取数据的例子

byte aByte = buf.get();

get方法有很多版本，允许你以不同的方式从Buffer中读取数据。例如，从指定position读取，或者从Buffer中读取数据到字节数组。更多Buffer实现的细节参考JavaDoc。

rewind()方法

Buffer.rewind()将position设回0，所以你可以重读Buffer中的所有数据。limit保持不变，仍然表示能从Buffer中读取多少个元素（byte、char等）。

clear()与compact()方法

一旦读完Buffer中的数据，需要让Buffer准备好再次被写入。可以通过clear()或compact()方法来完成。

如果调用的是clear()方法，position将被设回0，limit被设置成 capacity的值。换句话说，Buffer 被清空了。Buffer中的数据并未清除，只是这些标记告诉我们可以从哪里开始往Buffer里写数据。

如果Buffer中有一些未读的数据，调用clear()方法，数据将“被遗忘”，意味着不再有任何标记会告诉你哪些数据被读过，哪些还没有。

如果Buffer中仍有未读的数据，且后续还需要这些数据，但是此时想要先先写些数据，那么使用compact()方法。

compact()方法将所有未读的数据拷贝到Buffer起始处。然后将position设到最后一个未读元素正后面。limit属性依然像clear()方法一样，设置成capacity。现在Buffer准备好写数据了，但是不会覆盖未读的数据。

Buffer类型

ByteBuffer
MappedByteBuffer
CharBuffer
DoubleBuffer
FloatBuffer
IntBuffer
LongBuffer
ShortBuffer

SocketChannel

新的socket通道类可以运行非阻塞模式并且是可选择的；封装了点对点、有序的网络连接，类似于我们所熟知并喜爱的 TCP/IP 网络连接。SocketChannel 客户端发起同一个监听服务器的连接，直到连接成功，才能从连接到的地址接收到数据。

打开 SocketChannel

SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();

关闭 SocketChannel

SocketChannel.close();

非阻塞模式

可以设置 SocketChannel 为非阻塞模式（non-blocking mode）.设置之后，就可以在异步模式下调用connect(), read() 和write()了。

socketChannel.configureBlocking(false);

connect()

如果SocketChannel在非阻塞模式下，此时调用connect()，该方法可能在连接建立之前就返回了

socketChannel.connect(new InetSocketAddress(mConfig.getHost(), mConfig.getPort()));

write()

非阻塞模式下，write()方法在尚未写出任何内容时可能就返回了

String newData = "hello world"

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
buf.put(newData.getBytes());
buf.flip();

socketChannel.write(buf);

read()

非阻塞模式下,read()方法在尚未读取到任何数据时可能就返回了。所以需要关注它的int返回值，它会告诉你读取了多少字节。

ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(48);
int bytesRead = socketChannel.read(buf);

其他channel

FileChannel 从文件中读写数据。
DatagramChannel 能通过UDP读写网络中的数据。
SocketChannel 能通过TCP读写网络中的数据。
ServerSocketChannel可以监听新进来的TCP连接，像Web服务器那样。对每一个新进来的连接都会创建一个SocketChannel。

非阻塞模式与选择器

非阻塞模式与选择器搭配会工作的更好，通过将一或多个SocketChannel注册到Selector，可以询问选择器哪个通道已经准备好了读取，写入等。Selector与SocketChannel的搭配使用会在后面详讲。

Selector选择器

Selector（选择器）是Java NIO中能够检测一到多个NIO通道，并能够知晓通道是否为诸如读写事件做好准备的组件。这样，一个单独的线程可以管理多个channel，从而管理多个网络连接。

Selector

选择器提供选择执行已经就绪的任务的能力，这使得多元I/O成为可能。选择器类管理着一个被注册的通道集合的信息和它们的就绪状态。通道是和选择器一起被注册的，并且使用选择器来更新通道的就绪状态。当这么做的时候，可以选择将被激发的线程挂起，直到有就绪的的通道。

Selector的创建

Selector selector = Selector.open();

向Selector注册通道

为了将Channel和Selector配合使用，必须将channel注册到selector上。通过SelectableChannel.register()方法来实现，如下：

socketChannel.configureBlocking(false);
SelectionKey key = socketChannel.register(selector, Selectionkey.OP_CONNECT);

与Selector一起使用时，Channel必须处于非阻塞模式下。

注意register()方法的第二个参数。这是一个“interest集合”，意思是在通过Selector监听Channel时对什么事件感兴趣。可以监听四种不同类型的事件：

Connect SelectionKey.OP_CONNECT
Accept SelectionKey.OP_ACCEPT
Read SelectionKey.OP_READ
Write SelectionKey.OP_WRITE

通道触发了一个事件意思是该事件已经就绪。所以，某个channel成功连接到另一个服务器称为“连接就绪”。一个server socket channel准备好接收新进入的连接称为“接收就绪”。一个有数据可读的通道可以说是“读就绪”。等待写数据的通道可以说是“写就绪”。

SelectionKey

在上一小节中，当向Selector注册Channel时，register()方法会返回一个SelectionKey对象。这个对象包含了一些你感兴趣的属性：

interest集合
ready集合
Channel
Selector
附加的对象(可选)

interest集合

就像向Selector注册通道一节中所描述的，interest集合是你所选择的感兴趣的事件集合。可以通过SelectionKey读写interest集合，像这样:

int interestSet = selectionKey.interestOps();

boolean isInterestedInAccept  = (interestSet & SelectionKey.OP_ACCEPT) == SelectionKey.OP_ACCEPT；
boolean isInterestedInConnect = interestSet & SelectionKey.OP_CONNECT;
boolean isInterestedInRead    = interestSet & SelectionKey.OP_READ;
boolean isInterestedInWrite   = interestSet & SelectionKey.OP_WRITE;

可以看到，用“位与”操作interest 集合和给定的SelectionKey常量，可以确定某个确定的事件是否在interest 集合中。

ready集合

ready 集合是通道已经准备就绪的操作的集合。在一次选择(Selection)之后，你会首先访问这个ready set。Selection将在下一小节进行解释。可以这样访问ready集合：

int readySet = selectionKey.readyOps();

可以用像检测interest集合那样的方法，来检测channel中什么事件或操作已经就绪。但是，也可以使用以下四个方法，它们都会返回一个布尔类型：

selectionKey.isAcceptable();
selectionKey.isConnectable();
selectionKey.isReadable();
selectionKey.isWritable();

通过Selector选择通道

一旦向Selector注册了一或多个通道，就可以调用几个重载的select()方法。这些方法返回你所感兴趣的事件（如连接、接受、读或写）已经准备就绪的那些通道。换句话说，如果你对“读就绪”的通道感兴趣，select()方法会返回读事件已经就绪的那些通道。

select()阻塞到至少有一个通道在你注册的事件上就绪了。

select()方法返回的int值表示有多少通道已经就绪。亦即，自上次调用select()方法后有多少通道变成就绪状态。如果调用select()方法，因为有一个通道变成就绪状态，返回了1，若再次调用select()方法，如果另一个通道就绪了，它会再次返回1。如果对第一个就绪的channel没有做任何操作，现在就有两个就绪的通道，除非每次select()方法调用之间，只有一个通道就绪了。

selectedKeys()

一旦调用了select()方法，并且返回值表明有一个或更多个通道就绪了，然后可以通过调用selector的selectedKeys()方法，访问“已选择键集（selected key set）”中的就绪通道。如下所示：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();

当像Selector注册Channel时，Channel.register()方法会返回一个SelectionKey 对象。这个对象代表了注册到该Selector的通道。可以通过SelectionKey的selectedKeySet()方法访问这些对象。

可以遍历这个已选择的键集合来访问就绪的通道。如下：

Set selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator keyIterator = selectedKeys.iterator();
while(keyIterator.hasNext()) {
    SelectionKey key = keyIterator.next();
    if(key.isAcceptable()) {
        // a connection was accepted by a ServerSocketChannel.
    } else if (key.isConnectable()) {
        // a connection was established with a remote server.
    } else if (key.isReadable()) {
        // a channel is ready for reading
    } else if (key.isWritable()) {
        // a channel is ready for writing
    }
    keyIterator.remove();
}

这个循环遍历已选择键集中的每个键，并检测各个键所对应的通道的就绪事件。

注意每次迭代末尾的keyIterator.remove()调用。Selector不会自己从已选择键集中移除SelectionKey实例。必须在处理完通道时自己移除。下次该通道变成就绪时，Selector会再次将其放入已选择键集中。

SelectionKey.channel()方法返回的通道需要转型成你要处理的类型，如ServerSocketChannel或SocketChannel等。

wakeUp()

某个线程调用select()方法后阻塞了，即使没有通道已经就绪，也有办法让其从select()方法返回。只要让其它线程在第一个线程调用select()方法的那个对象上调用Selector.wakeup()方法即可。阻塞在select()方法上的线程会立马返回。

如果有其它线程调用了wakeup()方法，但当前没有线程阻塞在select()方法上，下个调用select()方法的线程会立即“醒来（wake up）”。

close()

用完Selector后调用其close()方法会关闭该Selector，且使注册到该Selector上的所有SelectionKey实例无效。通道本身并不会关闭。

Android 对AIO 的支持

Android需要sdk version 26及以上才提供AIO api。所以为了兼容低版本我们需要模仿AsynchronousSocketChannel的处理方式（异步），扩展SocketChannel功能，手动写个AsynchronousSocketChannel实现异步功能。

AIO Socket 编程 原理篇

Socket介绍

Socket相关概念

了解以上几个概念之后，通过不同的组合，就会形成Socket的几个种类：BIO、NIO、AIO

AIO

jdk7主要增加了三个新的异步通道:

先谈谈NIO

Channel 和 Buffer

Selector

Buffer缓冲区

Buffer的基本用法

缓冲区属性

Buffer的分配

向Buffer中写数据

从Buffer中读取数据

Buffer类型

SocketChannel

打开 SocketChannel

关闭 SocketChannel

非阻塞模式

connect()

write()

read()

其他channel

非阻塞模式与选择器

Selector选择器

Selector的创建

向Selector注册通道

SelectionKey

通过Selector选择通道

wakeUp()

close()

Android 对AIO 的支持

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