Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍

同步阻塞 I/O：

如下图所示：传统的阻塞 I/O 模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返回）。

从应用程序的角度来说，read 调用会延续很长时间。实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

同步非阻塞 I/O：

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操作不会立即完成，read 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），如下图所示。

非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。正如图 3 所示的一样，这个方法可以引入 I/O 操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

异步阻塞 I/O：

另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞 I/O。在这种模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作。使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是异步通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的 I/O 操作来说不建议使用。

异步非阻塞 I/O（AIO）：

最后，异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。

BIO、NIO、AIO 的区别是什么？

同/异步、阻/非阻塞的区别是什么？

文件读写最优雅的实现方式是什么？

NIO 如何实现多路复用功能？

带着以上这几个问题，让我们一起进入IO的世界吧。

在开始之前，我们先来思考一个问题：我们经常所说的“IO”的全称到底是什么？

可能很多人看到这个问题和我一样一脸懵逼，IO的全称其实是：Input/Output的缩写。

一、IO 介绍

我们通常所说的 BIO 是相对于 NIO 来说的，BIO 也就是 Java 开始之初推出的 IO 操作模块，BIO 是 BlockingIO 的缩写，顾名思义就是阻塞 IO 的意思。

1.1 BIO、NIO、AIO的区别

1. BIO 就是传统的 java.io 包，它是基于流模型实现的，交互的方式是同步、阻塞方式，也就是说在读入输入流或者输出流时，在读写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用时可靠的线性顺序。它的有点就是代码比较简单、直观；缺点就是 IO 的效率和扩展性很低，容易成为应用性能瓶颈。
2. NIO 是 Java 1.4 引入的 java.nio 包，提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层高性能的数据操作方式。
3. AIO 是 Java 1.7 之后引入的包，是 NIO 的升级版本，提供了异步非堵塞的 IO 操作方式，所以人们叫它 AIO（Asynchronous IO），异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

1.2 全面认识 IO

传统的 IO 大致可以分为4种类型：

• InputStream、OutputStream 基于字节操作的 IO
• Writer、Reader 基于字符操作的 IO
• File 基于磁盘操作的 IO
• Socket 基于网络操作的 IO

java.net 下提供的 Scoket 很多时候人们也把它归为 同步阻塞 IO ,因为网络通讯同样是 IO 行为。

java.io 下的类和接口很多，但大体都是 InputStream、OutputStream、Writer、Reader 的子集，所有掌握这4个类和File的使用，是用好 IO 的关键。

1.3 IO 使用

接下来看 InputStream、OutputStream、Writer、Reader 的继承关系图和使用示例。

1.3.1 InputStream 使用

继承关系图和类方法，如下图：

InputStream 使用示例：

InputStream inputStream = new FileInputStream("D://log.txt");
byte[] bytes = new byte[inputStream.available()];
inputStream.read(bytes);
String str = new String(bytes, "utf-8");
System.out.println(str);
inputStream.close();

1.3.2 OutputStream 使用

继承关系图和类方法，如下图：

OutputStream 使用示例：

OutputStream outputStream = new FileOutputStream("D://log.txt",true); 
// 参数二，表示是否追加，true=追加outputStream.write("你好，老王".getBytes("utf-8"));
outputStream.close();

1.3.3 Writer 使用

Writer 继承关系图和类方法，如下图：

Writer 使用示例：

Writer writer = new FileWriter("D://log.txt",true);
 // 参数二，是否追加文件，true=追加writer.append("老王，你好");
writer.close();

1.3.4 Reader 使用

Reader 继承关系图和类方法，如下图：

Reader 使用示例：

Reader reader = new FileReader(filePath);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(reader);
StringBuffer bf = new StringBuffer();
String str;
while ((str = bufferedReader.readLine()) != null) {
    bf.append(str + "/n");
}
bufferedReader.close();
reader.close();
System.out.println(bf.toString());

二、同步、异步、阻塞、非阻塞

上面说了很多关于同步、异步、阻塞和非阻塞的概念，接下来就具体聊一下它们4个的含义，以及组合之后形成的性能分析。

2.1 同步与异步

同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。而异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。我们可以用打电话和发短信来很好的比喻同步与异步操作。

2.2 阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞主要是从 CPU 的消耗上来说的，阻塞就是 CPU 停下来等待一个慢的操作完成 CPU 才接着完成其它的事。非阻塞就是在这个慢的操作在执行时 CPU 去干其它别的事，等这个慢的操作完成时，CPU 再接着完成后续的操作。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高 CPU 的利用率，但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的 CPU 使用时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

2.3 同/异、阻/非堵塞 组合

同/异、阻/非堵塞的组合，有四种类型，如下表：

# 三、优雅的文件读写

Java 7 之前文件的读取是这样的：

// 添加文件
FileWriter fileWriter = new FileWriter(filePath, true);
fileWriter.write(Content);
fileWriter.close();

// 读取文件FileReader fileReader = new FileReader(filePath);
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);
StringBuffer bf = new StringBuffer();
String str;while ((str = bufferedReader.readLine()) != null) {
    bf.append(str + "/n");
}
bufferedReader.close();
fileReader.close();
System.out.println(bf.toString());

Java 7 引入了Files（java.nio包下）的，大大简化了文件的读写，如下：

// 写入文件（追加方式：StandardOpenOption.APPEND）
Files.write(Paths.get(filePath), Content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), StandardOpenOption.APPEND);

// 读取文件
byte[] data = Files.readAllBytes(Paths.get(filePath));
System.out.println(new String(data, StandardCharsets.UTF_8));

读写文件都是一行代码搞定，没错这就是最优雅的文件操作。

Files 下还有很多有用的方法，比如创建多层文件夹，写法上也简单了：

// 创建多（单）层目录（如果不存在创建，存在不会报错）
new File("D://a//b").mkdirs();

四、Socket 和 NIO 的多路复用

本节带你实现最基础的 Socket 的同时，同时会实现 NIO 多路复用，还有 AIO 中 Socket 的实现。

4.1 传统的 Socket 实现

接下来我们将会实现一个简单的 Socket，服务器端只发给客户端信息，再由客户端打印出来的例子，代码如下：

int port = 4343; //端口号
// Socket 服务器端（简单的发送信息）
Thread sThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try {
            ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(port);
            while (true) {
                // 等待连接
                Socket socket = serverSocket.accept();
                Thread sHandlerThread = new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        try (PrintWriter printWriter = new PrintWriter(socket.getOutputStream())) {
                            printWriter.println("hello world！");
                            printWriter.flush();
                        } catch (IOException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                });
                sHandlerThread.start();
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
sThread.start();

// Socket 客户端（接收信息并打印）
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) {
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
    bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("客户端：" + s));} catch (UnknownHostException e) {
    e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

• 调用 accept 方法，阻塞等待客户端连接；
• 利用 Socket 模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取和打印；

在 Java 中，线程的实现是比较重量级的，所以线程的启动或者销毁是很消耗服务器的资源的，即使使用线程池来实现，使用上述传统的 Socket 方式，当连接数极具上升也会带来性能瓶颈，原因是线程的上线文切换开销会在高并发的时候体现的很明显，并且以上操作方式还是同步阻塞式的编程，性能问题在高并发的时候就会体现的尤为明显。

以上的流程，如下图：

4.2 NIO 多路复用

介于以上高并发的问题，NIO 的多路复用功能就显得意义非凡了。

NIO 是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的 Channel，来决定做什么，仅仅 select 阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。

// NIO 多路复用
ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(4, 4,
        60L, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
threadPool.execute(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        try (Selector selector = Selector.open();
             ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();) {
            serverSocketChannel.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
            serverSocketChannel.configureBlocking(false);
            serverSocketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
            while (true) {
                selector.select(); // 阻塞等待就绪的Channel
                Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();
                Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();
                while (iterator.hasNext()) {
                    SelectionKey key = iterator.next();
                    try (SocketChannel channel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept()) {
                        channel.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界"));
                    }
                    iterator.remove();
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
// Socket 客户端（接收信息并打印）
try (Socket cSocket = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), port)) {
    BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(cSocket.getInputStream()));
    bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println("NIO 客户端：" + s));
} catch (IOException e) {
    e.printStackTrace();
}

• 首先，通过 Selector.open() 创建一个 Selector，作为类似调度员的角色；
• 然后，创建一个 ServerSocketChannel，并且向 Selector 注册，通过指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求；
• 为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出 IllegalBlockingModeException 异常；
• Selector 阻塞在 select 操作，当有 Channel 发生接入请求，就会被唤醒；

下面的图，可以有效的说明 NIO 复用的流程：

就这样 NIO 的多路复用就大大提升了服务器端响应高并发的能力。

4.3 AIO 版 Socket 实现

Java 1.7 提供了 AIO 实现的 Socket 是这样的，如下代码：

// AIO线程复用版
Thread sThread = new Thread(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        AsynchronousChannelGroup group = null;
        try {
            group = AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(Executors.newFixedThreadPool(4));
            AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group).bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
            server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, AsynchronousServerSocketChannel>() {
                @Override
                public void completed(AsynchronousSocketChannel result, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
                    server.accept(null, this); // 接收下一个请求
                    try {
                        Future<Integer> f = result.write(Charset.defaultCharset().encode("你好，世界"));
                        f.get();
                        System.out.println("服务端发送时间：" + new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss").format(new Date()));
                        result.close();
                    } catch (InterruptedException | ExecutionException | IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, AsynchronousServerSocketChannel attachment) {
                }
            });
            group.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
sThread.start();

// Socket 客户端
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
Future<Void> future = client.connect(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), port));
future.get();
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
client.read(buffer, null, new CompletionHandler<Integer, Void>() {
    @Override
    public void completed(Integer result, Void attachment) {
        System.out.println("客户端打印：" + new String(buffer.array()));
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
        exc.printStackTrace();
        try {
            client.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
});
Thread.sleep(10 * 1000);

五、总结

以上基本就是 IO 从 1.0 到目前版本（本文的版本）JDK 8 的核心使用操作了，可以看出来 IO 作为比较常用的基础功能，发展变化的改动也很大，而且使用起来也越来越简单了，IO 的操作也是比较好理解的，一个输入一个输出，掌握好了输入输出也就掌握好了 IO，Socket 作为网络交互的集成功能，显然 NIO 的多路复用，给 Socket 带来了更多的活力和选择，用户可以根据自己的实际场景选择相应的代码策略。

当然本文的最后，也给各位看官大爷，附上了本文的示例代码： https:// github.com/vipstone/jav a-core-example

来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/51453522