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1、引言

關(guān)于Java網(wǎng)絡(luò)編程中的同步IO和異步IO的區(qū)別及原理的文章非常的多，具體來說主要還是在討論Java BIO和Java NIO這兩者，而關(guān)于Java AIO的文章就少之又少了（即使用也只是介紹了一下概念和代碼示例）。

在深入了解AIO之前，我注意到以下幾個現(xiàn)象：

• 1）2011年Java 7發(fā)布，它增加了AIO（號稱異步IO網(wǎng)絡(luò)編程模型），但12年過去了，平時使用的開發(fā)框架和中間件卻還是以NIO為主（例如網(wǎng)絡(luò)框架Netty、Mina，Web容器Tomcat、Undertow），這是為什么？
• 2）Java AIO又稱為NIO 2.0，難道它也是基于NIO來實現(xiàn)的？
• 3）Netty為什么會舍去了AIO的支持？（點此查看）；
• 4）AIO看起來貌似只是解決了有無，實際是發(fā)布了個寂寞？

Java AIO的這些不合常理的現(xiàn)象難免會令人心存疑惑。所以決定寫這篇文章時，我不想只是簡單的把AIO的概念再復(fù)述一遍，而是要透過現(xiàn)象，深入分析、思考和并理解Java AIO的本質(zhì)。

2、我們所理解的異步

AIO的A是Asynchronous（即異步）的意思，在了解AIO的原理之前，我們先理清一下“異步”到底是怎樣的一個概念。

說起異步編程，在平時的開發(fā)還是比較常見的。

例如以下的代碼示例：

@Async

publicvoidcreate() {

    //TODO

}

 

publicvoidbuild() {

    executor.execute(() -> build());

}

不管是用@Async注解，還是往線程池里提交任務(wù)，他們最終都是同一個結(jié)果，就是把要執(zhí)行的任務(wù)，交給另外一個線程來執(zhí)行。

這個時候，我們可以大致的認為，所謂的“異步”，就是用多線程的方式去并行執(zhí)行任務(wù)。

3、Java BIO和NIO到底是同步還是異步？

Java BIO和NIO到底是同步還是異步，我們先按照異步這個思路，做異步編程。

3.1BIO代碼示例

byte[] data = newbyte[1024];

InputStream in = socket.getInputStream();

in.read(data);

// 接收到數(shù)據(jù)，異步處理

executor.execute(() -> handle(data));

 

publicvoidhandle(byte[] data) {

    // TODO

}

如上：BIO在read()時，雖然線程阻塞了，但在收到數(shù)據(jù)時，可以異步啟動一個線程去處理。

3.2NIO代碼示例

selector.select();

Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();

Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();

while(iterator.hasNext()) {

    SelectionKey key = iterator.next();

    if(key.isReadable()) {

        SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();

        ByteBuffer byteBuffer = (ByteBuffer) key.attachment();

        executor.execute(() -> {

            try{

                channel.read(byteBuffer);

                handle(byteBuffer);

            } catch(Exception e) {

 

            }

        });

    }

}

 

publicstaticvoidhandle(ByteBuffer buffer) {

    // TODO

}

同理：NIO雖然read()是非阻塞的，通過select()可以阻塞等待數(shù)據(jù)，在有數(shù)據(jù)可讀的時候，異步啟動一個線程，去讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。

3.3產(chǎn)生的理解偏差

此時我們信誓旦旦地說，Java的BIO和NIO是異步還是同步，取決你的心情，你高興給它個多線程，它就是異步的。

但果真如此么？

在翻閱了大量博客文章之后，基本一致的闡明了——BIO和NIO是同步的。

那問題點出在哪呢，是什么造成了我們理解上的偏差呢？

那就是參考系的問題，以前學(xué)物理時，公交車上的乘客是運動還是靜止，需要有參考系前提，如果以地面為參考，他是運動的，以公交車為參考，他是靜止的。

Java IO也是一樣，需要有個參考系，才能定義它是同步還是異步。

既然我們討論的是關(guān)于Java IO是哪一種模式，那就是要針對IO讀寫操作這件事來理解，而其他的啟動另外一個線程去處理數(shù)據(jù)，已經(jīng)是脫離IO讀寫的范圍了，不應(yīng)該把他們扯進來。

3.4嘗試定義異步

所以以IO讀寫操作這事件作為參照，我們先嘗試的這樣定義，就是：發(fā)起IO讀寫的線程（調(diào)用read和write的線程），和實際操作IO讀寫的線程，如果是同一個線程，就稱之為同步，否則是異步。

按上述定義：

• 1）顯然BIO只能是同步，調(diào)用in.read()當(dāng)前線程阻塞，有數(shù)據(jù)返回的時候，接收到數(shù)據(jù)的還是原來的線程；
• 2）而NIO也稱之為同步，原因也是如此，調(diào)用channel.read()時，線程雖然不會阻塞，但讀到數(shù)據(jù)的還是當(dāng)前線程。

按照這個思路，AIO應(yīng)該是發(fā)起IO讀寫的線程，和實際收到數(shù)據(jù)的線程，可能不是同一個線程。

是不是這樣呢？我們將在上一節(jié)直接上Java AIO的代碼，我們從 實際代碼中一窺究竟吧。

4、一個Java AIO的網(wǎng)絡(luò)編程示例

4.1AIO服務(wù)端程序代碼

publicclassAioServer {

 

    publicstaticvoidmain(String[] args) throwsIOException {

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " AioServer start");

        AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()

                .bind(newInetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

        serverChannel.accept(null, newCompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {

 

            @Override

            publicvoidcompleted(AsynchronousSocketChannel clientChannel, Void attachment) {

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " client is connected");

                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

                clientChannel.read(buffer, buffer, newClientHandler());

            }

 

            @Override

            publicvoidfailed(Throwable exc, Void attachment) {

                System.out.println("accept fail");

            }

        });

        System.in.read();

    }

}

 

publicclassClientHandler implementsCompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {

    @Override

    publicvoidcompleted(Integer result, ByteBuffer buffer) {

        buffer.flip();

        byte[] data = newbyte[buffer.remaining()];

        buffer.get(data);

        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " received:"+ newString(data, StandardCharsets.UTF_8));

    }

 

    @Override

    publicvoidfailed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {

 

    }

}

4.2AIO客戶端程序

publicclassAioClient {

    publicstaticvoidmain(String[] args) throwsException {

        AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open();

        channel.connect(newInetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

        buffer.put("Java AIO".getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

        buffer.flip();

        Thread.sleep(1000L);

        channel.write(buffer);

 }

}

4.3異步的定義猜想結(jié)論

分別運行服務(wù)端和客戶端程序:

在服務(wù)端運行結(jié)果里：

1）main線程發(fā)起serverChannel.accept的調(diào)用，添加了一個CompletionHandler監(jiān)聽回調(diào)，當(dāng)有客戶端連接過來時，Thread-5線程執(zhí)行了accep的completed回調(diào)方法。

2）緊接著Thread-5又發(fā)起了clientChannel.read調(diào)用，也添加了個CompletionHandler監(jiān)聽回調(diào)，當(dāng)收到數(shù)據(jù)時，是Thread-1的執(zhí)行了read的completed回調(diào)方法。

這個結(jié)論和上面異步猜想一致：發(fā)起IO操作（例如accept、read、write）調(diào)用的線程，和最終完成這個操作的線程不是同一個，我們把這種IO模式稱之AIO。

當(dāng)然了，這樣定義AIO只是為了方便我們理解，實際中對異步IO的定義可能更抽象一點。

5、 AIO示例引發(fā)思考1：“執(zhí)行completed()方法的線程是誰創(chuàng)建、什么時候創(chuàng)建？”

一般，這樣的問題，需要從程序的入口的開始了解，但跟線程相關(guān)，其實是可以從線程棧的運行情況來定位線程是怎么運行。

只運行AIO服務(wù)端程序，客戶端不運行，打印一下線程棧（備注：程序在Linux平臺上運行，其他平臺略有差異）。如下圖所示。

分析線程棧，發(fā)現(xiàn)，程序啟動了那么幾個線程：

• 1）線程Thread-0阻塞在EPoll.wait()方法上；
• 2）線程Thread-1、Thread-2~Thread-n（n和CPU核心數(shù)量一致）從阻塞隊列里take()任務(wù)，阻塞等待有任務(wù)返回。

此時可以暫定下一個結(jié)論：AIO服務(wù)端程序啟動之后，就開始創(chuàng)建了這些線程，且線程都處于阻塞等待狀態(tài)。

另外：發(fā)現(xiàn)這些線程的運行都跟epoll有關(guān)系！

提到epoll，我們印象中，Java NIO在Linux平臺底層就是用epoll來實現(xiàn)的，難道Java AIO也是用epoll來實現(xiàn)么？

為了證實這個結(jié)論，我們從下一個問題來展開討論。

6、 AIO示例引發(fā)思考2：AIO注冊事件監(jiān)聽和執(zhí)行回調(diào)是如何實現(xiàn)的？

帶著這個問題，去閱讀JDK分析源碼時，發(fā)現(xiàn)源碼特別的長，而源碼解析是一項枯燥乏味的過程，很容易把閱讀者給逼走勸退掉。

對于長流程和邏輯復(fù)雜的代碼的理解，我們可以抓住它幾個脈絡(luò)，找出哪幾個核心流程。

以注冊監(jiān)聽read為例clientChannel.read(...)，它主要的核心流程是：注冊事件 -> 監(jiān)聽事件 -> 處理事件。

注冊事件：

注：注冊事件調(diào)用EPoll.ctl(...)函數(shù)，這個函數(shù)在最后的參數(shù)用于指定是一次性的，還是永久性。上面代碼events | EPOLLONSHOT字面意思看來，是一次性的。

監(jiān)聽事件：

處理事件：

核心流程總結(jié)：

在分析完上面的代碼流程后會發(fā)現(xiàn)：每一次IO讀寫都要經(jīng)歷的這三個事件是一次性的，也就是在處理事件完，本次流程就結(jié)束了，如果想繼續(xù)下一次的IO讀寫，就得從頭開始再來一遍。這樣就會存在所謂的死亡回調(diào)（回調(diào)方法里再添加下一個回調(diào)方法），這對于編程的復(fù)雜度大大提高了。

7、 AIO示例引發(fā)思考3：監(jiān)聽回調(diào)的本質(zhì)是什么？

7.1概述

先說一下結(jié)論：所謂監(jiān)聽回調(diào)的本質(zhì)，就是用戶態(tài)線程調(diào)用內(nèi)核態(tài)的函數(shù)（準(zhǔn)確的說是API，例如read、write、epollWait），該函數(shù)還沒有返回時，用戶線程被阻塞了。當(dāng)函數(shù)返回時，會喚醒阻塞的線程，執(zhí)行所謂回調(diào)函數(shù)。

對于這個結(jié)論的理解，要先引入幾個概念。

7.2系統(tǒng)調(diào)用與函數(shù)調(diào)用

函數(shù)調(diào)用：找到某個函數(shù)，并執(zhí)行函數(shù)里的相關(guān)命令。

系統(tǒng)調(diào)用：操作系統(tǒng)對用戶應(yīng)用程序提供了編程接口，所謂API。

系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行過程：

• 1）傳遞系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)；
• 2）執(zhí)行陷入指令，用用戶態(tài)切換到核心態(tài)（這是因為系統(tǒng)調(diào)用一般都需要再核心態(tài)下執(zhí)行）；
• 3）執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用程序；
• 4）返回用戶態(tài)。

7.3用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)之間的通信

用戶態(tài)->內(nèi)核態(tài)：通過系統(tǒng)調(diào)用方式即可。

內(nèi)核態(tài)->用戶態(tài)：內(nèi)核態(tài)根本不知道用戶態(tài)程序有什么函數(shù)，參數(shù)是啥，地址在哪里。所以內(nèi)核是不可能去調(diào)用用戶態(tài)的函數(shù)，只能通過發(fā)送信號，比如kill 命令關(guān)閉程序就是通過發(fā)信號讓用戶程序優(yōu)雅退出的。

既然內(nèi)核態(tài)是不可能主動去調(diào)用用戶態(tài)的函數(shù)，為什么還會有回調(diào)呢，只能說這個所謂回調(diào)其實就是用戶態(tài)的自導(dǎo)自演。它既做了監(jiān)聽，又做了執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。

7.4用實際例子驗證結(jié)論

為了驗證這個結(jié)論是否有說服力，舉個例子：平時開發(fā)寫代碼用的IntelliJ IDEA，它是如何監(jiān)聽鼠標(biāo)、鍵盤事件和處理事件的。

按照慣例，先打印一下線程棧，會發(fā)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤等事件的監(jiān)聽是由“AWT-XAWT”線程負責(zé)的，處理事件則是“AWT-EventQueue”線程負責(zé)。如下圖所示。

定位到具體的代碼上：可以看到“AWT-XAWT”正在做while循環(huán)，調(diào)用waitForEvents函數(shù)等待事件返回。如果沒有事件，線程就一直阻塞在那邊。如下圖所示。

8、Java AIO的本質(zhì)是什么？

8.1Java AIO的本質(zhì)，就是只在用戶態(tài)實現(xiàn)了異步

由于內(nèi)核態(tài)無法直接調(diào)用用戶態(tài)函數(shù)，Java AIO的本質(zhì)，就是只在用戶態(tài)實現(xiàn)異步，并沒有達到理想意義上的異步。

1）理想中的異步：

何謂理想意義上的異步？這里舉個網(wǎng)購的例子。

兩個角色，消費者A、快遞員B：

• 1）A在網(wǎng)上購物時，填好家庭地址付款提交訂單，這個相當(dāng)于注冊監(jiān)聽事件；
• 2）商家發(fā)貨，B把東西送到A家門口，這個相當(dāng)于回調(diào)。

A在網(wǎng)上下完單，后續(xù)的發(fā)貨流程就不用他來操心了，可以繼續(xù)做其他事。B送貨也不關(guān)心A在不在家，反正就把貨扔到家門口就行了，兩個人互不依賴，互不相干擾。

假設(shè)A購物是用戶態(tài)來做，B送快遞是內(nèi)核態(tài)來做，這種程序運行方式過于理想了，實際中實現(xiàn)不了。

2）現(xiàn)實中的異步：

A住的是高檔小區(qū)，不能隨意進去，快遞只能送到小區(qū)門口。

A買了一件比較重的商品，比如一臺電視，因為A要上班不在家里，所以找了一個好友C幫忙把電視搬到他家。

A出門上班前，跟門口的保安D打聲招呼，說今天有一臺電視送過來，送到小區(qū)門口時，請電話聯(lián)系C，讓他過來拿。

具體就是：

• 1）此時，A下單并跟D打招呼，相當(dāng)于注冊事件。在AIO中就是EPoll.ctl(...)注冊事件；
• 2）保安在門口蹲著相當(dāng)于監(jiān)聽事件，在AIO中就是Thread-0線程，做EPoll.wait(..)；
• 3）快遞員把電視送到門口，相當(dāng)于有IO事件到達；
• 4）保安通知C電視到了，C過來搬電視，相當(dāng)于處理事件（在AIO中就是Thread-0往任務(wù)隊列提交任務(wù)，Thread-1 ~n去取數(shù)據(jù)，并執(zhí)行回調(diào)方法）。

整個過程中，保安D必須一直蹲著，寸步不能離開，否則電視送到門口，就被人偷了。

好友C也必須在A家待著，受人委托，東西到了，人卻不在現(xiàn)場，這有點失信于人。

所以實際的異步和理想中的異步，在互不依賴，互不干擾，這兩點相違背了。保安的作用最大，這是他人生的高光時刻。

異步過程中的注冊事件、監(jiān)聽事件、處理事件，還有開啟多線程，這些過程的發(fā)起者全是用戶態(tài)一手操辦。所以說Java AIO本質(zhì)只是在用戶態(tài)實現(xiàn)了異步，這個和BIO、NIO先阻塞，阻塞喚醒后開啟異步線程處理的本質(zhì)一致。

8.2Java AIO的其它真相

Java AIO跟NIO一樣：在各個平臺的底層實現(xiàn)方式也不同，在Linux是用epoll、Windows是IOCP、Mac OS是KQueue。原理是大同小異，都是需要一個用戶線程阻塞等待IO事件，一個線程池從隊列里處理事件。

Netty之所以移除掉AIO：很大的原因是在性能上AIO并沒有比NIO高。Linux雖然也有一套原生的AIO實現(xiàn)（類似Windows上的IOCP），但Java AIO在Linux并沒有采用，而是用epoll來實現(xiàn)。

Java AIO不支持UDP。

AIO編程方式略顯復(fù)雜，比如“死亡回調(diào)”。

9、參考資料

[1] 少啰嗦！一分鐘帶你讀懂Java的NIO和經(jīng)典IO的區(qū)別

[2] 史上最強Java NIO入門：擔(dān)心從入門到放棄的，請讀這篇！

[3] Java的BIO和NIO很難懂？用代碼實踐給你看，再不懂我轉(zhuǎn)行！

[4] Java新一代網(wǎng)絡(luò)編程模型AIO原理及Linux系統(tǒng)AIO介紹

[5] 從0到1的快速裂變：詳解快的打車架構(gòu)設(shè)計及技術(shù)實踐

[6] 新手入門：目前為止最透徹的的Netty高性能原理和框架架構(gòu)解析

[7] 史上最通俗Netty框架入門長文：基本介紹、環(huán)境搭建、動手實戰(zhàn)

[8] 高性能網(wǎng)絡(luò)編程(五)：一文讀懂高性能網(wǎng)絡(luò)編程中的I/O模型

[9] 高性能網(wǎng)絡(luò)編程(六)：一文讀懂高性能網(wǎng)絡(luò)編程中的線程模型

[10] 高性能網(wǎng)絡(luò)編程(七)：到底什么是高并發(fā)？一文即懂！

[11] 從根上理解高性能、高并發(fā)(二)：深入操作系統(tǒng)，理解I/O與零拷貝技術(shù)

[12] 從根上理解高性能、高并發(fā)(三)：深入操作系統(tǒng)，徹底理解I/O多路復(fù)用

[13] 從根上理解高性能、高并發(fā)(四)：深入操作系統(tǒng)，徹底理解同步與異步

[14] 從根上理解高性能、高并發(fā)(五)：深入操作系統(tǒng)，理解高并發(fā)中的協(xié)程

（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-4283-1-1.html）