1、前言

關(guān)于Java BIO、NIO、AIO的區(qū)別和原理，這樣的文章非常的多的，但主要還是在BIO和NIO這兩者之間討論，而關(guān)于AIO這樣的文章就少之又少了，很多只是介紹了一下概念和代碼示例。

在了解AIO時(shí)，有注意到以下幾個(gè)現(xiàn)象：

•  2011年Java 7發(fā)布，里面增加了AIO稱之為異步IO的編程模型，但已經(jīng)過去了近12年，平時(shí)使用的開發(fā)框架中間件，還是以NIO為主，例如網(wǎng)絡(luò)框架Netty、Mina，Web容器Tomcat、Undertow。
• Java AIO又稱為NIO 2.0，難道它也是基于NIO來(lái)實(shí)現(xiàn)的？
• Netty舍去了AIO的支持。https://github.com/netty/netty/issues/2515
• AIO看起來(lái)只是解決了有無(wú)，發(fā)布了個(gè)寂寞。

這幾個(gè)現(xiàn)象不免會(huì)令很多人心存疑惑，所以決定寫這篇文章時(shí)，不想簡(jiǎn)單的把AIO的概念再?gòu)?fù)述一遍，而是要透過現(xiàn)象， 如何分析、思考和理解Java AIO的本質(zhì)。

2、什么是異步

2.1 我們所了解的異步

AIO的A是Asynchronous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(gè)概念。

說(shuō)起異步編程，在平時(shí)的開發(fā)還是比較常見，例如以下的代碼示例：

@Asyncpublic void create() {    //TODO}
public void build() {    executor.execute(() -> build());}
@Async
public void create() {
    //TODO
}


public void build() {
    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(gè)結(jié)果，就是把要執(zhí)行的任務(wù)，交給另外一個(gè)線程來(lái)執(zhí)行。這個(gè)時(shí)候，可以大致的認(rèn)為，所謂的“異步”，就是多線程，執(zhí)行任務(wù)。

2.2 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(gè)思路，做異步編程。

2.2.1 BIO示例byte [] data = new byte[1024];

byte [] data = new byte[1024];
InputStream in = socket.getInputStream();
in.read(data);
// 接收到數(shù)據(jù)，異步處理
executor.execute(() -> handle(data));

public void handle(byte [] data) {
    // TODO
}

2.2.2 NIO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) {

            }
        });

    }
}

public static void handle(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(shí)候，異步啟動(dòng)一個(gè)線程，去讀取數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。

2.2.3 產(chǎn)生理解的偏差

此時(shí)我們信誓旦旦的說(shuō)，Java的BIO和NIO是異步還是同步，取決你的心情，你高興給它個(gè)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(diǎn)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(shí)，公交車上的乘客是運(yùn)動(dòng)還是靜止，需要有參考系前提，如果以地面為參考，他是運(yùn)動(dòng)的，以公交車為參考，他是靜止的。

Java IO也是一樣，需要有個(gè)參考系，才能定義它是同步異步，既然我們討論的是IO是哪一種模式，那就是要針對(duì)IO讀寫操作這件事來(lái)理解，而其他的啟動(dòng)另外一個(gè)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(jìn)來(lái)。

2.2.4 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(shí)際操作IO讀寫的線程，如果是同一個(gè)線程，就稱之為同步，否則是異步。

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(shí)候，接收到數(shù)據(jù)的還是原來(lái)的線程。

而NIO也稱之為同步，原因也是如此，調(diào)用channel.read()時(shí)，線程雖然不會(huì)阻塞，但讀到數(shù)據(jù)的還是當(dāng)前線程。

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

是不是這樣呢，現(xiàn)在開始上Java AIO的代碼。

2.3 Java AIO的程序示例

2.3.1 AIO服務(wù)端程序

public class AioServer {


    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " AioServer start");
        AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open()
                .bind(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));
        serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {


            @Override
            public void completed(AsynchronousSocketChannel clientChannel, Void attachment) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " client is connected");
                ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                clientChannel.read(buffer, buffer, new ClientHandler());
            }


            @Override
            public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
                System.out.println("accept fail");
            }
        });
        System.in.read();
    }
}


public class ClientHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
    @Override
    public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
        buffer.flip();
        byte [] data = new byte[buffer.remaining()];
        buffer.get(data);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " received:"  + new String(data, StandardCharsets.UTF_8));
    }


    @Override
    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {


    }
}

2.3.2 AIO客戶端程序

public class AioClient {


    public static void main(String[] args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open();
        channel.connect(new InetSocketAddress("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);
 }
}

2.3.3 異步的定義猜想結(jié)論

分別運(yùn)行服務(wù)端和客戶端程序

在服務(wù)端運(yùn)行結(jié)果里，

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

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

這個(gè)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(gè)操作的線程不是同一個(gè)，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(shí)際中對(duì)異步IO的定義可能更抽象一點(diǎn)。

3、AIO示例引發(fā)思考的問題

•  執(zhí)行completed()方法的這個(gè)線程是誰(shuí)創(chuàng)建的，什么時(shí)候創(chuàng)建的？
• AIO注冊(cè)事件監(jiān)聽和執(zhí)行回調(diào)是如何實(shí)現(xiàn)的？
•  監(jiān)聽回調(diào)的本質(zhì)是什么？

3.1 問題1：執(zhí)行completed()方法的這個(gè)線程是誰(shuí)創(chuàng)建的，什么時(shí)候創(chuàng)建的

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(shí)是可以從線程棧的運(yùn)行情況來(lái)定位線程是怎么運(yùn)行。

只運(yùn)行AIO服務(wù)端程序，客戶端不運(yùn)行，打印一下線程棧（備注：程序在Linux平臺(tái)上運(yùn)行，其他平臺(tái)略有差異）

分析線程棧，發(fā)現(xiàn)，程序啟動(dòng)了那么幾個(gè)線程

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

此時(shí)可以暫定下一個(gè)結(jié)論：

AIO服務(wù)端程序啟動(dòng)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(yùn)行都跟Epoll有關(guān)系，提到Epoll，我們印象中，Java NIO在Linux平臺(tái)底層就是用Epoll來(lái)實(shí)現(xiàn)的，難道Java AIO也是用Epoll來(lái)實(shí)現(xiàn)么？為了證實(shí)這個(gè)結(jié)論，我們從下一個(gè)問題來(lái)展開討論

3.2 問題2：AIO注冊(cè)事件監(jiān)聽和執(zhí)行回調(diào)是如何實(shí)現(xiàn)的

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

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

以注冊(cè)監(jiān)聽read為例clientChannel.read(...)，它主要的核心流程是：

1、注冊(cè)事件 -> 2、監(jiān)聽事件 -> 3、處理事件

3.2.1 1、注冊(cè)事件

注冊(cè)事件調(diào)用EPoll.ctl(...)函數(shù)，這個(gè)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(lái)，是一次性的。

3.2.2 2、監(jiān)聽事件

3.2.3 3、處理事件

3.2.4 核心流程總結(jié)

在分析完上面的代碼流程后會(huì)發(fā)現(xiàn)，每一次IO讀寫都要經(jīng)歷的這三個(gè)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(lái)一遍。這樣就會(huì)存在所謂的死亡回調(diào)（回調(diào)方法里再添加下一個(gè)回調(diào)方法），這對(duì)于編程的復(fù)雜度大大提高了。

3.3 問題3: 監(jiān)聽回調(diào)的本質(zhì)是什么？

先說(shuō)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(shuō)是API，例如read,write,epollWait），該函數(shù)還沒有返回時(shí)，用戶線程被阻塞了。當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，會(huì)喚醒阻塞的線程，執(zhí)行所謂回調(diào)函數(shù)。

對(duì)于這個(gè)結(jié)論的理解，要先引入幾個(gè)概念

3.3.1 系統(tǒng)調(diào)用與函數(shù)調(diào)用

函數(shù)調(diào)用:

找到某個(gè)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(duì)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?yàn)橄到y(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)

3.3.2 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(hào)，比如kill 命令關(guān)閉程序就是通過發(fā)信號(hào)讓用戶程序優(yōu)雅退出的。

既然內(nèi)核態(tài)是不可能主動(dòng)去調(diào)用用戶態(tài)的函數(shù)，為什么還會(huì)有回調(diào)呢，只能說(shuō)這個(gè)所謂回調(diào)其實(shí)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)。

3.3.3 用實(shí)際例子驗(yàn)證結(jié)論

為了驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論是否有說(shuō)服力，舉個(gè)例子，平時(shí)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(huì)發(fā)現(xiàn)鼠標(biāo)、鍵盤等事件的監(jiān)聽是由"AWT-XAWT"線程負(fù)責(zé)的，處理事件則是"AWT-EventQueue"線程負(fù)責(zé)。

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。

4、Java AIO的本質(zhì)是什么？

• 由于內(nèi)核態(tài)無(wú)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(shí)現(xiàn)異步。并沒有達(dá)到理想意義上的異步。

理想中的異步

何謂理想意義上的異步？這里舉個(gè)網(wǎng)購(gòu)的例子

兩個(gè)角色，消費(fèi)者A，快遞員B

A在網(wǎng)上購(gòu)物時(shí)，填好家庭地址付款提交訂單，這個(gè)相當(dāng)于注冊(cè)監(jiān)聽事件

商家發(fā)貨，B把東西送到A家門口，這個(gè)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(lái)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(gè)人互不依賴，互不相干擾。

假設(shè)A購(gòu)物是用戶態(tài)來(lái)做，B送快遞是內(nèi)核態(tài)來(lái)做，這種程序運(yùn)行方式過于理想了，實(shí)際中實(shí)現(xiàn)不了。

現(xiàn)實(shí)中的異步

A住的是高檔小區(qū)，不能隨意進(jìn)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(tái)電視，因?yàn)锳要上班不在家里，所以找了一個(gè)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(shuō)今天有一臺(tái)電視送過來(lái)，送到小區(qū)門口時(shí)，請(qǐng)電話聯(lián)系C，讓他過來(lái)拿。

• 此時(shí)，A下單并跟D打招呼，相當(dāng)于注冊(cè)事件。在AIO中就是EPoll.ctl(...)注冊(cè)事件。
• 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(..)
• 快遞員把電視送到門口，相當(dāng)于有IO事件到達(dá)。
• 保安通知C電視到了，C過來(lái)搬電視，相當(dāng)于處理事件。在AIO中就是Thread-0往任務(wù)隊(duì)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(gè)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(chǎng)，這有點(diǎn)失信于人。

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

異步過程中的注冊(cè)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(shuō)Java AIO只在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)了異步，這個(gè)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。

• Java AIO跟NIO一樣，在各個(gè)平臺(tái)的底層實(shí)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(gè)用戶線程阻塞等待IO事件，一個(gè)線程池從隊(duì)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(shí)現(xiàn)（類似Windows上的IOCP），但Java AIO在Linux并沒有采用，而是用EPoll來(lái)實(shí)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)”