透过现象看Java AIO的本质｜得物技术

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前言

关于Java BIO、NIO、AIO的区别和原理，这样的文章非常的多的，但主要还是在BIO和NIO这两者之间讨论，而关于AIO这样的文章就少之又少了，很多只是介绍了一下概念和代码示例。

在了解AIO时，有注意到以下几个现象：

1、 2011年Java 7发布，里面增加了AIO称之为异步IO的编程模型，但已经过去了近12年，平时使用的开发框架中间件，还是以NIO为主，例如网络框架Netty、Mina，Web容器Tomcat、Undertow。

2、 Java AIO又称为NIO 2.0，难道它也是基于NIO来实现的？

3、 Netty舍去了AIO的支持。https://github.com/netty/netty/issues/2515

4、 AIO看起来只是解决了有无，发布了个寂寞。

这几个现象不免会令很多人心存疑惑，所以决定写这篇文章时，不想简单的把AIO的概念再复述一遍，而是要透过现象，如何分析、思考和理解Java AIO的本质。

什么是异步

2.1 我们所了解的异步

AIO的A是Asynchronous异步的意思，在了解AIO的原理之前，我们先理清一下“异步”到底是怎样的一个概念。

说起异步编程，在平时的开发还是比较常见，例如以下的代码示例：


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

不管是用@Async注解，还是往线程池里提交任务，他们最终都是同一个结果，就是把要执行的任务，交给另外一个线程来执行。

这个时候，可以大致的认为，所谓的“异步”，就是多线程，执行任务。

2.2 Java BIO和NIO到底是同步还是异步？

Java BIO和NIO到底是同步还是异步，我们先按照异步这个思路，做异步编程。

2.2.1 BIO示例

byte [] data = new byte[1024];InputStream in = socket.getInputStream();in.read(data);// 接收到数据，异步处理executor.execute(() -> handle(data));
public void handle(byte [] data) {    // TODO}

BIO在read()时，虽然线程阻塞了，但在收到数据时，可以异步启动一个线程去处理。

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虽然read()是非阻塞的，通过select()可以阻塞等待数据，在有数据可读的时候，异步启动一个线程，去读取数据和处理数据。

2.2.3 产生理解的偏差

此时我们信誓旦旦的说，Java的BIO和NIO是异步还是同步，取决你的心情，你高兴给它个多线程，它就是异步的。

但果真如此么，在翻阅了大量博客文章之后，基本一致的阐明了，BIO和NIO是同步的。

那问题点出在哪呢，是什么造成了我们理解上的偏差呢？

那就是参考系的问题，以前学物理时，公交车上的乘客是运动还是静止，需要有参考系前提，如果以地面为参考，他是运动的，以公交车为参考，他是静止的。

Java IO也是一样，需要有个参考系，才能定义它是同步异步，既然我们讨论的是IO是哪一种模式，那就是要针对IO读写操作这件事来理解，而其他的启动另外一个线程去处理数据，已经是脱离IO读写的范围了，不应该把他们扯进来。

2.2.4 尝试定义异步

所以以IO读写操作这事件作为参照，我们先尝试的这样定义，就是发起IO读写的线程(调用read和write的线程)，和实际操作IO读写的线程，如果是同一个线程，就称之为同步，否则是异步。

显然BIO只能是同步，调用in.read()当前线程阻塞，有数据返回的时候，接收到数据的还是原来的线程。
而NIO也称之为同步，原因也是如此，调用channel.read()时，线程虽然不会阻塞，但读到数据的还是当前线程。

按照这个思路，AIO应该是发起IO读写的线程，和实际收到数据的线程，可能不是同一个线程

是不是这样呢，现在开始上Java AIO的代码。

2.3 Java AIO的程序示例

2.3.1 AIO服务端程序


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客户端程序

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 异步的定义猜想结论

分别运行服务端和客户端程序

在服务端运行结果里，

main线程发起serverChannel.accept的调用，添加了一个CompletionHandler监听回调，当有客户端连接过来时，Thread-5线程执行了accep的completed回调方法。

紧接着Thread-5又发起了clientChannel.read调用，也添加了个CompletionHandler监听回调，当收到数据时，是Thread-1的执行了read的completed回调方法。

这个结论和上面异步猜想一致，发起IO操作（例如accept、read、write)调用的线程，和最终完成这个操作的线程不是同一个，我们把这种IO模式称之AIO，

当然了，这样定义AIO只是为了方便我们理解，实际中对异步IO的定义可能更抽象一点。

AIO示例引发思考的问题

1、执行completed()方法的这个线程是谁创建的，什么时候创建的？

2、 AIO注册事件监听和执行回调是如何实现的？

3、监听回调的本质是什么？

3.1 问题1：执行completed()方法的这个线程是谁创建的，什么时候创建的

一般，这样的问题，需要从程序的入口的开始了解，但跟线程相关，其实是可以从线程栈的运行情况来定位线程是怎么运行。

只运行AIO服务端程序，客户端不运行，打印一下线程栈（备注：程序在Linux平台上运行，其他平台略有差异）

分析线程栈，发现，程序启动了那么几个线程

1、线程Thread-0阻塞在EPoll.wait()方法上

2、线程Thread-1、Thread-2。。。Thread-n（n和CPU核心数量一致）从阻塞队列里take()任务，阻塞等待有任务返回。

此时可以暂定下一个结论：

AIO服务端程序启动之后，就开始创建了这些线程，且线程都处于阻塞等待状态。

另外，发现这些线程的运行都跟Epoll有关系，提到Epoll，我们印象中，Java NIO在Linux平台底层就是用Epoll来实现的，难道Java AIO也是用Epoll来实现么？为了证实这个结论，我们从下一个问题来展开讨论

3.2 问题2：AIO注册事件监听和执行回调是如何实现的

带着这个问题，去阅读分析源码时，发现源码特别的长，而源码解析是一项枯燥乏味的过程，很容易把阅读者给逼走劝退掉。

对于长流程和逻辑复杂的代码的理解，我们可以抓住它几个脉络，找出哪几个核心流程。

以注册监听read为例clientChannel.read(...)，它主要的核心流程是：

1、注册事件 -> 2、监听事件 -> 3、处理事件

3.2.1 1、注册事件

注册事件调用EPoll.ctl(...)函数，这个函数在最后的参数用于指定是一次性的，还是永久性。上面代码events | EPOLLONSHOT字面意思看来，是一次性的。

3.2.2 2、监听事件

3.2.3 3、处理事件

3.2.4 核心流程总结

在分析完上面的代码流程后会发现，每一次IO读写都要经历的这三个事件是一次性的，也就是在处理事件完，本次流程就结束了，如果想继续下一次的IO读写，就得从头开始再来一遍。这样就会存在所谓的死亡回调（回调方法里再添加下一个回调方法），这对于编程的复杂度大大提高了。

3.3 问题3: 监听回调的本质是什么？

先说一下结论，所谓监听回调的本质，就是用户态线程，调用内核态的函数（准确的说是API，例如read,write,epollWait），该函数还没有返回时，用户线程被阻塞了。当函数返回时，会唤醒阻塞的线程，执行所谓回调函数。

对于这个结论的理解，要先引入几个概念

3.3.1 系统调用与函数调用

函数调用:

找到某个函数，并执行函数里的相关命令

系统调用：

操作系统对用户应用程序提供了编程接口，所谓API。

系统调用执行过程：

1.传递系统调用参数

2.执行陷入指令，用用户态切换到核心态，这是因为系统调用一般都需要再核心态下执行

3.执行系统调用程序

4.返回用户态

3.3.2 用户态和内核态之间的通信

用户态->内核态，通过系统调用方式即可。

内核态->用户态，内核态根本不知道用户态程序有什么函数，参数是啥，地址在哪里。所以内核是不可能去调用用户态的函数，只能通过发送信号，比如kill 命令关闭程序就是通过发信号让用户程序优雅退出的。

既然内核态是不可能主动去调用用户态的函数，为什么还会有回调呢，只能说这个所谓回调其实就是用户态的自导自演。它既做了监听，又做了执行回调函数。

3.3.3 用实际例子验证结论

为了验证这个结论是否有说服力，举个例子，平时开发写代码用的IntelliJ IDEA，它是如何监听鼠标、键盘事件和处理事件的。

按照惯例，先打印一下线程栈，会发现鼠标、键盘等事件的监听是由"AWT-XAWT"线程负责的，处理事件则是"AWT-EventQueue"线程负责。

定位到具体的代码上，可以看到"AWT-XAWT"正在做while循环，调用waitForEvents函数等待事件返回。如果没有事件，线程就一直阻塞在那边。

Java AIO的本质是什么？

1、由于内核态无法直接调用用户态函数，Java AIO的本质，就是只在用户态实现异步。并没有达到理想意义上的异步。

理想中的异步

何谓理想意义上的异步？这里举个网购的例子

两个角色，消费者A，快递员B

A在网上购物时，填好家庭地址付款提交订单，这个相当于注册监听事件
商家发货，B把东西送到A家门口，这个相当于回调。

A在网上下完单，后续的发货流程就不用他来操心了，可以继续做其他事。B送货也不关心A在不在家，反正就把货扔到家门口就行了，两个人互不依赖，互不相干扰。

假设A购物是用户态来做，B送快递是内核态来做，这种程序运行方式过于理想了，实际中实现不了。

现实中的异步

A住的是高档小区，不能随意进去，快递只能送到小区门口。

A买了一件比较重的商品，比如一台电视，因为A要上班不在家里，所以找了一个好友C帮忙把电视搬到他家。

A出门上班前，跟门口的保安D打声招呼，说今天有一台电视送过来，送到小区门口时，请电话联系C，让他过来拿。

此时，A下单并跟D打招呼，相当于注册事件。在AIO中就是EPoll.ctl(...)注册事件。
保安在门口蹲着相当于监听事件，在AIO中就是Thread-0线程，做EPoll.wait(..)
快递员把电视送到门口，相当于有IO事件到达。
保安通知C电视到了，C过来搬电视，相当于处理事件。在AIO中就是Thread-0往任务队列提交任务，Thread-1 ~n去取数据，并执行回调方法。

整个过程中，保安D必须一直蹲着，寸步不能离开，否则电视送到门口，就被人偷了。

好友C也必须在A家待着，受人委托，东西到了，人却不在现场，这有点失信于人。

所以实际的异步和理想中的异步，在互不依赖，互不干扰，这两点相违背了。保安的作用最大，这是他人生的高光时刻。

异步过程中的注册事件、监听事件、处理事件，还有开启多线程，这些过程的发起者全是用户态一手操办，所以说Java AIO只在用户态实现了异步，这个和BIO、NIO先阻塞，阻塞唤醒后开启异步线程处理的本质一致。

2、Java AIO跟NIO一样，在各个平台的底层实现方式也不同，在Linux是用EPoll，Windows是IOCP，Mac OS是KQueue。原理是大同小异，都是需要一个用户线程阻塞等待IO事件，一个线程池从队列里处理事件。

3、 Netty之所以移除掉AIO，很大的原因是在性能上AIO并没有比NIO高。Linux虽然也有一套原生的AIO实现（类似Windows上的IOCP），但Java AIO在Linux并没有采用，而是用EPoll来实现。

4、 Java AIO不支持UDP

5、 AIO编程方式略显复杂，比如“死亡回调”

*文/Inspire

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