從JDK 7版本開始，Java新加入的文件和網(wǎng)絡(luò)io特性稱為nio2(new io 2, 因?yàn)閖dk1.4中已經(jīng)有過一個(gè)nio了)，包含了眾多性能和功能上的改進(jìn)，其中最重要的部分，就是對(duì)異步io的支持，稱為Java AIO(asynchronous IO)。

因?yàn)锳IO的實(shí)施需充分調(diào)用OS參與，IO需要操作系統(tǒng)支持、并發(fā)也同樣需要操作系統(tǒng)的支持，所以性能方面不同操作系統(tǒng)差異會(huì)比較明顯。所以本文也附帶介紹了Linux 2.6及以后版本新增的AIO特性(因?yàn)檫@跟Java AIO是對(duì)應(yīng)關(guān)系)。

Java AIO

1基本原理

目前為止，Java共支持3種網(wǎng)絡(luò)編程模型：BIO、NIO、AIO：

Java BIO ： 同步并阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)連接一個(gè)線程，即客戶端有連接請(qǐng)求時(shí)服務(wù)器端就需要啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理，如果這個(gè)連接不做任何事情會(huì)造成不必要的線程開銷，當(dāng)然可以通過線程池機(jī)制改善。

Java NIO ： 同步非阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)請(qǐng)求一個(gè)線程，即客戶端發(fā)送的連接請(qǐng)求都會(huì)注冊(cè)到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有I/O請(qǐng)求時(shí)才啟動(dòng)一個(gè)線程進(jìn)行處理。

Java AIO(NIO.2) ： 異步非阻塞，服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個(gè)有效請(qǐng)求一個(gè)線程，客戶端的I/O請(qǐng)求都是由OS先完成了再通知服務(wù)器應(yīng)用去啟動(dòng)線程進(jìn)行處理。

BIO、NIO、AIO適用場(chǎng)景分析:

BIO方式適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)，這種方式對(duì)服務(wù)器資源要求比較高，并發(fā)局限于應(yīng)用中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程序直觀簡單易理解。

NIO方式適用于連接數(shù)目多且連接比較短(輕操作)的架構(gòu)，比如聊天服務(wù)器，并發(fā)局限于應(yīng)用中，編程比較復(fù)雜，JDK1.4開始支持。

AIO方式使用于連接數(shù)目多且連接比較長(重操作)的架構(gòu)，比如相冊(cè)服務(wù)器，充分調(diào)用OS參與并發(fā)操作，編程比較復(fù)雜，JDK7開始支持。

2AIO介紹

jdk在1.4版本的nio中提供了對(duì)非阻塞多路復(fù)用同步io模型的支持，但是在Windows上是基于較低效select/poll實(shí)現(xiàn)的。

jdk1.7中提供對(duì)aio的支持后，帶來了兩方面的好處：

Windows上可以使用iocp了。

簡化了網(wǎng)絡(luò)變成模型。異步io相比較非阻塞多路復(fù)用模型更易理解，開發(fā)更為簡單。

和多路復(fù)用的java nio相比較，可以發(fā)現(xiàn)，異步io是在數(shù)據(jù)讀取或者寫入調(diào)用已經(jīng)完成的時(shí)候，再通知調(diào)用者，而非阻塞多路復(fù)用io則是在有數(shù)據(jù)就緒，可以讀寫的時(shí)候通知調(diào)用者，讀寫仍然是由調(diào)用者執(zhí)行并且是阻塞的(這意味著如果要同時(shí)進(jìn)行其他工作，要控制讀寫操作不能阻塞太長時(shí)間或者需要將其放去單獨(dú)的io線程執(zhí)行)。

JDK7中的java aio新增的類和接口主要有：

AsynchronousServerSocketChannel ，對(duì)應(yīng)于bio中的ServerSocket和nio中的ServerSocketChannel，用于server端的網(wǎng)絡(luò)程序。

AsynchronousSocketChannel，對(duì)云關(guān)于bio中的Socket和nio中的SocketChannel，用于client端的網(wǎng)絡(luò)程序。

CompletionHandler，回調(diào)接口，在socket進(jìn)行accept/connect/read/write等操作時(shí)，可以傳入一個(gè)CompletionHandler的實(shí)現(xiàn)，操作執(zhí)行完畢后，會(huì)調(diào)用注冊(cè)的CompletionHandler。

除了CompletionHandler這種回調(diào)方式，aio中還支持返回Future對(duì)象，使用Future來設(shè)定回調(diào)操作。

Linux AIO

1Linux AIO 簡介

Linux 異步 I/O 是 Linux 內(nèi)核中提供的一個(gè)相當(dāng)新的增強(qiáng)。它是 2.6 版本內(nèi)核的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)特性，但是我們?cè)?2.4 版本內(nèi)核的補(bǔ)丁中也可以找到它。AIO 背后的基本思想是允許進(jìn)程發(fā)起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后或在接收到 I/O 操作完成的通知時(shí)，進(jìn)程就可以檢索 I/O 操作的結(jié)果。

2Linux 的 I/O 模型

在深入介紹 AIO API 之前，讓我們先來探索一下 Linux 上可以使用的不同 I/O 模型。這并不是一個(gè)詳盡的介紹，但是我們將試圖介紹最常用的一些模型來解釋它們與異步 I/O 之間的區(qū)別。圖 1 給出了同步和異步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

基本 Linux I/O 模型的簡單矩陣：

每個(gè) I/O 模型都有自己的使用模式，它們對(duì)于特定的應(yīng)用程序都有自己的優(yōu)點(diǎn)。

同步阻塞 I/O：

如下圖所示：傳統(tǒng)的阻塞 I/O 模型，這也是目前應(yīng)用程序中最為常用的一種模型。其行為非常容易理解，其用法對(duì)于典型的應(yīng)用程序來說都非常有效。在調(diào)用 read 系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，應(yīng)用程序會(huì)阻塞并對(duì)內(nèi)核進(jìn)行上下文切換。然后會(huì)觸發(fā)讀操作，當(dāng)響應(yīng)返回時(shí)(從我們正在從中讀取的設(shè)備中返回)，數(shù)據(jù)就被移動(dòng)到用戶空間的緩沖區(qū)中。然后應(yīng)用程序就會(huì)解除阻塞(read 調(diào)用返回)。

從應(yīng)用程序的角度來說，read 調(diào)用會(huì)延續(xù)很長時(shí)間。實(shí)際上，在內(nèi)核執(zhí)行讀操作和其他工作時(shí)，應(yīng)用程序的確會(huì)被阻塞。

同步非阻塞 I/O：

同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中，設(shè)備是以非阻塞的形式打開的。這意味著 I/O 操作不會(huì)立即完成，read 操作可能會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼，說明這個(gè)命令不能立即滿足(EAGAIN 或 EWOULDBLOCK)，如下圖所示。

非阻塞的實(shí)現(xiàn)是 I/O 命令可能并不會(huì)立即滿足，需要應(yīng)用程序調(diào)用許多次來等待操作完成。這可能效率不高，因?yàn)樵诤芏嗲闆r下，當(dāng)內(nèi)核執(zhí)行這個(gè)命令時(shí)，應(yīng)用程序必須要進(jìn)行忙碌等待，直到數(shù)據(jù)可用為止，或者試圖執(zhí)行其他工作。正如圖 3 所示的一樣，這個(gè)方法可以引入 I/O 操作的延時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)在內(nèi)核中變?yōu)榭捎玫接脩粽{(diào)用 read 返回?cái)?shù)據(jù)之間存在一定的間隔，這會(huì)導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)吞吐量的降低。

異步阻塞 I/O：

另外一個(gè)阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞 I/O。在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系統(tǒng)調(diào)用來確定一個(gè) I/O 描述符何時(shí)有操作。使 select 調(diào)用非常有趣的是它可以用來為多個(gè)描述符提供通知，而不僅僅為一個(gè)描述符提供通知。對(duì)于每個(gè)提示符來說，我們可以請(qǐng)求這個(gè)描述符可以寫數(shù)據(jù)、有讀數(shù)據(jù)可用以及是否發(fā)生錯(cuò)誤的通知。

select 調(diào)用的主要問題是它的效率不是非常高。盡管這是異步通知使用的一種方便模型，但是對(duì)于高性能的 I/O 操作來說不建議使用。

異步非阻塞 I/O(AIO)：

最后，異步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進(jìn)行的模型。讀請(qǐng)求會(huì)立即返回，說明 read 請(qǐng)求已經(jīng)成功發(fā)起了。在后臺(tái)完成讀操作時(shí)，應(yīng)用程序然后會(huì)執(zhí)行其他處理操作。當(dāng) read 的響應(yīng)到達(dá)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)或執(zhí)行一個(gè)基于線程的回調(diào)函數(shù)來完成這次 I/O 處理過程。

在一個(gè)進(jìn)程中為了執(zhí)行多個(gè) I/O 請(qǐng)求而對(duì)計(jì)算操作和 I/O 處理進(jìn)行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O 速度之間的差異。當(dāng)一個(gè)或多個(gè) I/O 請(qǐng)求掛起時(shí)，CPU 可以執(zhí)行其他任務(wù)；或者更為常見的是，在發(fā)起其他 I/O 的同時(shí)對(duì)已經(jīng)完成的 I/O 進(jìn)行操作。

3異步 I/O(AIO) 的動(dòng)機(jī)

從前面 I/O 模型的分類中，我們可以看出 AIO 的動(dòng)機(jī)。這種阻塞模型需要在 I/O 操作開始時(shí)阻塞應(yīng)用程序。這意味著不可能同時(shí)重疊進(jìn)行處理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允許處理和 I/O 操作重疊進(jìn)行，但是這需要應(yīng)用程序根據(jù)重現(xiàn)的規(guī)則來檢查 I/O 操作的狀態(tài)。這樣就剩下異步非阻塞 I/O 了，它允許處理和 I/O 操作重疊進(jìn)行，包括 I/O 操作完成的通知。

除了需要阻塞之外，select 函數(shù)所提供的功能(異步阻塞 I/O)與 AIO 類似。不過，它是對(duì)通知事件進(jìn)行阻塞，而不是對(duì) I/O 調(diào)用進(jìn)行阻塞。

總結(jié)

使用異步 I/O(AIO)可以幫助我們構(gòu)建 I/O 速度更快、效率更高的應(yīng)用程序。如果我們的應(yīng)用程序可以對(duì)處理和 I/O 操作重疊進(jìn)行，那么 AIO 就可以幫助我們構(gòu)建可以更高效地使用可用 CPU 資源的應(yīng)用程序。

盡管這種 I/O 模型與在大部分 Linux 應(yīng)用程序中使用的傳統(tǒng)阻塞模式都不同，但是異步通知模型在概念上來說卻非常簡單，可以簡化我們的設(shè)計(jì)。

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創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

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