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到底什么是Java AIO？为什么Netty会移除AIO？一文搞懂AIO的本质！

2023-09-04 11:58 由 极客技术圈 发表于 #后端开发

1、引言


关于Java网络编程中的同步IO和异步IO的区别及原理的文章非常的多，具体来说主要还是在讨论Java BIO和Java NIO这两者，而关于Java AIO的文章就少之又少了（即使用也只是介绍了一下概念和代码示例）。

在深入了解AIO之前，我注意到以下几个现象：

  • 1）2011年Java 7发布，它增加了AIO（号称异步IO网络编程模型），但12年过去了，平时使用的开发框架和中间件却还是以NIO为主（例如网络框架Netty、Mina，Web容器Tomcat、Undertow），这是为什么？
  • 2）Java AIO又称为NIO 2.0，难道它也是基于NIO来实现的？
  • 3）Netty为什么会舍去了AIO的支持？
  • 4）AIO看起来貌似只是解决了有无，实际是发布了个寂寞？

Java AIO的这些不合常理的现象难免会令人心存疑惑。所以决定写这篇文章时，我不想只是简单的把AIO的概念再复述一遍，而是要透过现象，深入分析、思考和并理解Java AIO的本质。


2、我们所理解的异步


AIO的A是Asynchronous（即异步）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的。

例如以下的代码示例：

@Async

public 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，我们可以大致的认为，所谓的“异步”，就是用多线程的方式去并行执行任务。

3、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。

3.1BIO代码示例

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
}
 
如上：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。

3.2NIO代码示例

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。

3.3产生的理解偏差


此时我们信誓旦旦地说，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，才能定义它是同步还是异步。

既然我们讨论的是关于Java 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。

3.4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。

按上述定义：

  • 1）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；
  • 2）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？我们将在上一节直接上Java AIO的代码，我们从 实际代码中一窥究竟吧。

4、一个Java AIO的网络编程示例


4.1AIO服务端程序代码

 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) {
 
    }
}
 

4.2AIO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);
 }
}
 

4.3异步的定义猜想结论

 

 

在服务端运行结果里：

1）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。

2）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。
 

5、 AIO示例引发思考1：“执行completed()方法的线程是谁创建、什么时候创建？”


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）。如下图所示。

 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。

 

6、 AIO示例引发思考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JDK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：注册事件 -> 监听事件 -> 处理事件。

 注：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。

监听事件：

 

处理事件：

 

 

 

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。

7、 AIO示例引发思考3：监听回调的本质是什么？

 

7.1概述


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。

7.2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。

 

7.3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。

7.4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。如下图所示。

 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。如下图所示。

 

8、Java AIO的本质是什么？

 

8.1Java AIO的本质，就是只在用户态实现了异步


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。

1）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：

  • 1）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；
  • 2）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。

2）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。

具体就是：

  • 1）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；
  • 2）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(..)；
  • 3）快递员把电视送到门口，相当于有IO事件到达；
  • 4）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本质只是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。

8.2Java AIO的其它真相


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。

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。

Java AIO不支持UDP。

AIO编程方式略显复杂，比如“死亡回调”。

 

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