透過現象看Java AIO的本質

作者：Inspire 2023-02-17 18:32:42

開發前端

2011年Java 7發布，里面增加了AIO稱之為異步IO的編程模型，但已經過去了近12年，平時使用的開發框架中間件，還是以NIO為主，例如網絡框架Netty、Mina，Web容器Tomcat、Undertow。

1、前言

關于Java BIO、NIO、AIO的區別和原理，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，有注意到以下幾個現象：

2011年Java 7發布，里面增加了AIO稱之為異步IO的編程模型，但已經過去了近12年，平時使用的開發框架中間件，還是以NIO為主，例如網絡框架Netty、Mina，Web容器Tomcat、Undertow。
Java AIO又稱為NIO 2.0，難道它也是基于NIO來實現的？
Netty舍去了AIO的支持。https://github.com/netty/netty/issues/2515
AIO看起來只是解決了有無，發布了個寂寞。

這幾個現象不免會令很多人心存疑惑，所以決定寫這篇文章時，不想簡單的把AIO的概念再復述一遍，而是要透過現象，如何分析、思考和理解Java AIO的本質。

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”到底是怎樣的一個概念。

說起異步編程，在平時的開發還是比較常見，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，他們最終都是同一個結果，就是把要執行的任務，交給另外一個線程來執行。這個時候，可以大致的認為，所謂的“異步”，就是多線程，執行任務。

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);
// 接收到數據，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()可以阻塞等待數據，在有數據可讀的時候，異步啟動一個線程，去讀取數據和處理數據。

2.2.3 產生理解的偏差

此時我們信誓旦旦的說，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，才能定義它是同步異步，既然我們討論的是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據，已經是脫離IO讀寫的范圍了，不應該把他們扯進來。

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，就是發起IO讀寫的線程(調用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。

顯然BIO只能是同步，調用in.read()當前線程阻塞，有數據返回的時候，接收到數據的還是原來的線程。

而NIO也稱之為同步，原因也是如此，調用channel.read()時，線程雖然不會阻塞，但讀到數據的還是當前線程。

按照這個思路，AIO應該是發起IO讀寫的線程，和實際收到數據的線程，可能不是同一個線程

是不是這樣呢，現在開始上Java AIO的代碼。

2.3 Java AIO的程序示例

2.3.1 AIO服務端程序

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 異步的定義猜想結論

分別運行服務端和客戶端程序

在服務端運行結果里，

main線程發起serverChannel.accept的調用，添加了一個CompletionHandler監聽回調，當有客戶端連接過來時，Thread-5線程執行了accep的completed回調方法。

緊接著Thread-5又發起了clientChannel.read調用，也添加了個CompletionHandler監聽回調，當收到數據時，是Thread-1的執行了read的completed回調方法。

這個結論和上面異步猜想一致，發起IO操作（例如accept、read、write)調用的線程，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。

3、AIO示例引發思考的問題

執行completed()方法的這個線程是誰創建的，什么時候創建的？
AIO注冊事件監聽和執行回調是如何實現的？
監聽回調的本質是什么？

3.1 問題1：執行completed()方法的這個線程是誰創建的，什么時候創建的

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，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）

分析線程棧，發現，程序啟動了那么幾個線程

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

此時可以暫定下一個結論：

AIO服務端程序啟動之后，就開始創建了這些線程，且線程都處于阻塞等待狀態。

另外，發現這些線程的運行都跟Epoll有關系，提到Epoll，我們印象中，Java NIO在Linux平臺底層就是用Epoll來實現的，難道Java AIO也是用Epoll來實現么？為了證實這個結論，我們從下一個問題來展開討論

3.2 問題2：AIO注冊事件監聽和執行回調是如何實現的

帶著這個問題，去閱讀分析源碼時，發現源碼特別的長，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雜的代碼的理解，我們可以抓住它幾個脈絡，找出哪幾個核心流程。

以注冊監聽read為例clientChannel.read(...)，它主要的核心流程是：

1、注冊事件 -> 2、監聽事件 -> 3、處理事件

3.2.1 1、注冊事件

注冊事件調用EPoll.ctl(...)函數，這個函數在最后的參數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。

3.2.2 2、監聽事件

3.2.3 3、處理事件

3.2.4 核心流程總結

在分析完上面的代碼流程后會發現，每一次IO讀寫都要經歷的這三個事件是一次性的，也就是在處理事件完，本次流程就結束了，如果想繼續下一次的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（回調方法里再添加下一個回調方法），這對于編程的復雜度大大提高了。

3.3 問題3: 監聽回調的本質是什么？

先說一下結論，所謂監聽回調的本質，就是用戶態線程，調用內核態的函數（準確的說是API，例如read,write,epollWait），該函數還沒有返回時，用戶線程被阻塞了。當函數返回時，會喚醒阻塞的線程，執行所謂回調函數。

對于這個結論的理解，要先引入幾個概念

3.3.1 系統調用與函數調用

函數調用:

找到某個函數，并執行函數里的相關命令

系統調用：

操作系統對用戶應用程序提供了編程接口，所謂API。

系統調用執行過程：

1.傳遞系統調用參數

2.執行陷入指令，用用戶態切換到核心態，這是因為系統調用一般都需要再核心態下執行

3.執行系統調用程序

4.返回用戶態

3.3.2 用戶態和內核態之間的通信

用戶態->內核態，通過系統調用方式即可。

內核態->用戶態，內核態根本不知道用戶態程序有什么函數，參數是啥，地址在哪里。所以內核是不可能去調用用戶態的函數，只能通過發送信號，比如kill 命令關閉程序就是通過發信號讓用戶程序優雅退出的。

既然內核態是不可能主動去調用用戶態的函數，為什么還會有回調呢，只能說這個所謂回調其實就是用戶態的自導自演。它既做了監聽，又做了執行回調函數。

3.3.3 用實際例子驗證結論

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

按照慣例，先打印一下線程棧，會發現鼠標、鍵盤等事件的監聽是由"AWT-XAWT"線程負責的，處理事件則是"AWT-EventQueue"線程負責。

定位到具體的代碼上，可以看到"AWT-XAWT"正在做while循環，調用waitForEvents函數等待事件返回。如果沒有事件，線程就一直阻塞在那邊。

4、Java AIO的本質是什么？

由于內核態無法直接調用用戶態函數，Java AIO的本質，就是只在用戶態實現異步。并沒有達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？這里舉個網購的例子

兩個角色，消費者A，快遞員B

A在網上購物時，填好家庭地址付款提交訂單，這個相當于注冊監聽事件

商家發貨，B把東西送到A家門口，這個相當于回調。

A在網上下完單，后續的發貨流程就不用他來操心了，可以繼續做其他事。B送貨也不關心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A購物是用戶態來做，B送快遞是內核態來做，這種程序運行方式過于理想了，實際中實現不了。

現實中的異步

A住的是高檔小區，不能隨意進去，快遞只能送到小區門口。

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，送到小區門口時，請電話聯系C，讓他過來拿。

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

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、監聽事件、處理事件，還有開啟多線程，這些過程的發起者全是用戶態一手操辦，所以說Java AIO只在用戶態實現了異步，這個和BIO、NIO先阻塞，阻塞喚醒后開啟異步線程處理的本質一致。

Java AIO跟NIO一樣，在各個平臺的底層實現方式也不同，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（類似Windows上的IOCP），但Java AIO在Linux并沒有采用，而是用EPoll來實現。
Java AIO不支持UDP
AIO編程方式略顯復雜，比如“死亡回調”

責任編輯：武曉燕來源：得物技術