--- name: nio-and-aio title: Java 非阻塞 IO 和异步 IO date: 2018-02-27 tags: categories: --- 上一篇文章介绍了 Java NIO 中 Buffer、Channel 和 Selector 的基本操作，主要是一些接口操作，比较简单。 本文将介绍**非阻塞 IO** 和**异步 IO**，也就是大家耳熟能详的 NIO 和 AIO。很多初学者可能分不清楚异步和非阻塞的区别，只是在各种场合能听到**异步非阻塞**这个词。 本文会先介绍并演示阻塞模式，然后引入非阻塞模式来对阻塞模式进行优化，最后再介绍 JDK7 引入的异步 IO，由于网上关于异步 IO 的介绍相对较少，所以这部分内容我会介绍得具体一些。 希望看完本文，读者可以对非阻塞 IO 和异步 IO 的迷雾看得更清晰些，或者为初学者解开一丝丝疑惑也是好的。 ## 阻塞模式 IO 我们已经介绍过使用 Java NIO 包组成一个简单的**客户端-服务端**网络通讯所需要的 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 Buffer，我们这里整合一下它们，给出一个完整的可运行的例子： ```java public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open(); // 监听 8080 端口进来的 TCP 链接 serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080)); while (true) { // 这里会阻塞，直到有一个请求的连接进来 SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept(); // 开启一个新的线程来处理这个请求，然后在 while 循环中继续监听 8080 端口 SocketHandler handler = new SocketHandler(socketChannel); new Thread(handler).start(); } } } ``` 这里看一下新的线程需要做什么，SocketHandler： ```java public class SocketHandler implements Runnable { private SocketChannel socketChannel; public SocketHandler(SocketChannel socketChannel) { this.socketChannel = socketChannel; } @Override public void run() { ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); try { // 将请求数据读入 Buffer 中 int num; while ((num = socketChannel.read(buffer)) > 0) { // 读取 Buffer 内容之前先 flip 一下 buffer.flip(); // 提取 Buffer 中的数据 byte[] bytes = new byte[num]; buffer.get(bytes); String re = new String(bytes, "UTF-8"); System.out.println("收到请求：" + re); // 回应客户端 ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(("我已经收到你的请求，你的请求内容是：" + re).getBytes()); socketChannel.write(writeBuffer); buffer.clear(); } } catch (IOException e) { IOUtils.closeQuietly(socketChannel); } } } ``` 最后，贴一下客户端 SocketChannel 的使用，客户端比较简单： ```java public class SocketChannelTest { public static void main(String[] args) throws IOException { SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open(); socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080)); // 发送请求 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("1234567890".getBytes()); socketChannel.write(buffer); // 读取响应 ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); int num; if ((num = socketChannel.read(readBuffer)) > 0) { readBuffer.flip(); byte[] re = new byte[num]; readBuffer.get(re); String result = new String(re, "UTF-8"); System.out.println("返回值: " + result); } } } ``` 上面介绍的阻塞模式的代码应该很好理解：来一个新的连接，我们就新开一个线程来处理这个连接，之后的操作全部由那个线程来完成。 那么，这个模式下的性能瓶颈在哪里呢？ 1. 首先，每次来一个连接都开一个新的线程这肯定是不合适的。当活跃连接数在几十几百的时候当然是可以这样做的，但如果活跃连接数是几万几十万的时候，这么多线程明显就不行了。每个线程都需要一部分内存，内存会被迅速消耗，同时，线程切换的开销非常大。 2. 其次，阻塞操作在这里也是一个问题。首先，accept() 是一个阻塞操作，当 accept() 返回的时候，代表有一个连接可以使用了，我们这里是马上就新建线程来处理这个 SocketChannel 了，但是，但是这里不代表对方就将数据传输过来了。所以，SocketChannel#read 方法将阻塞，等待数据，明显这个等待是不值得的。同理，write 方法也需要等待通道可写才能执行写入操作，这边的阻塞等待也是不值得的。 ## 非阻塞 IO 说完了阻塞模式的使用及其缺点以后，我们这里就可以介绍非阻塞 IO 了。 非阻塞 IO 的核心在于使用一个 Selector 来管理多个通道，可以是 SocketChannel，也可以是 ServerSocketChannel，将各个通道注册到 Selector 上，指定监听的事件。 之后可以只用一个线程来轮询这个 Selector，看看上面是否有通道是准备好的，当通道准备好可读或可写，然后才去开始真正的读写，这样速度就很快了。我们就完全没有必要给每个通道都起一个线程。 NIO 中 Selector 是对底层操作系统实现的一个抽象，管理通道状态其实都是底层系统实现的，这里简单介绍下在不同系统下的实现。 **select**：上世纪 80 年代就实现了，它支持注册 FD_SETSIZE(1024) 个 socket，在那个年代肯定是够用的，不过现在嘛，肯定是不行了。 **poll**：1997 年，出现了 poll 作为 select 的替代者，最大的区别就是，poll 不再限制 socket 数量。 select 和 poll 都有一个共同的问题，那就是**它们都只会告诉你有几个通道准备好了，但是不会告诉你具体是哪几个通道**。所以，一旦知道有通道准备好以后，自己还是需要进行一次扫描，显然这个不太好，通道少的时候还行，一旦通道的数量是几十万个以上的时候，扫描一次的时间都很可观了，时间复杂度 O(n)。所以，后来才催生了以下实现。 **epoll**：2002 年随 Linux 内核 2.5.44 发布，epoll 能直接返回具体的准备好的通道，时间复杂度 O(1)。 除了 Linux 中的 epoll，2000 年 FreeBSD 出现了 **Kqueue**，还有就是，Solaris 中有 **/dev/poll**。 > 前面说了那么多实现，但是没有出现 Windows，Windows 平台的非阻塞 IO 使用 select，我们也不必觉得 Windows 很落后，在 Windows 中 IOCP 提供的异步 IO 是比较强大的。 我们回到 Selector，毕竟 JVM 就是这么一个屏蔽底层实现的平台，**我们面向 Selector 编程就可以了**。 之前在介绍 Selector 的时候已经了解过了它的基本用法，这边来一个可运行的实例代码，大家不妨看看： ```java public class SelectorServer { public static void main(String[] args) throws IOException { Selector selector = Selector.open(); ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open(); server.socket().bind(new InetSocketAddress(8080)); // 将其注册到 Selector 中，监听 OP_ACCEPT 事件 server.configureBlocking(false); server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { int readyChannels = selector.select(); if (readyChannels == 0) { continue; } Set readyKeys = selector.selectedKeys(); // 遍历 Iterator iterator = readyKeys.iterator(); while (iterator.hasNext()) { SelectionKey key = iterator.next(); iterator.remove(); if (key.isAcceptable()) { // 有已经接受的新的到服务端的连接 SocketChannel socketChannel = server.accept(); // 有新的连接并不代表这个通道就有数据， // 这里将这个新的 SocketChannel 注册到 Selector，监听 OP_READ 事件，等待数据 socketChannel.configureBlocking(false); socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); } else if (key.isReadable()) { // 有数据可读 // 上面一个 if 分支中注册了监听 OP_READ 事件的 SocketChannel SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); int num = socketChannel.read(readBuffer); if (num > 0) { // 处理进来的数据... System.out.println("收到数据：" + new String(readBuffer.array()).trim()); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("返回给客户端的数据...".getBytes()); socketChannel.write(buffer); } else if (num == -1) { // -1 代表连接已经关闭 socketChannel.close(); } } } } } } ``` 至于客户端，大家可以继续使用上一节介绍阻塞模式时的客户端进行测试。 ## NIO.2 异步 IO More New IO，或称 NIO.2，随 JDK 1.7 发布，包括了引入异步 IO 接口和 Paths 等文件访问接口。 异步这个词，我想对于绝大多数开发者来说都很熟悉，很多场景下我们都会使用异步。 通常，我们会有一个线程池用于执行异步任务，提交任务的线程将任务提交到线程池就可以立马返回，不必等到任务真正完成。如果想要知道任务的执行结果，通常是通过传递一个回调函数的方式，任务结束后去调用这个函数。 同样的原理，Java 中的异步 IO 也是一样的，都是由一个线程池来负责执行任务，然后使用回调或自己去查询结果。 大部分开发者都知道为什么要这么设计了，这里再啰嗦一下。异步 IO 主要是为了控制线程数量，减少过多的线程带来的内存消耗和 CPU 在线程调度上的开销。 **在 Unix/Linux 等系统中，JDK 使用了并发包中的线程池来管理任务**，具体可以查看 AsynchronousChannelGroup 的源码。 在 Windows 操作系统中，提供了一个叫做 [I/O Completion Ports](https://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/aa365198.aspx) 的方案，通常简称为 **IOCP**，操作系统负责管理线程池，其性能非常优异，所以**在 Windows 中 JDK 直接采用了 IOCP 的支持**，使用系统支持，把更多的操作信息暴露给操作系统，也使得操作系统能够对我们的 IO 进行一定程度的优化。 > 在 Linux 中其实也是有异步 IO 系统实现的，但是限制比较多，性能也一般，所以 JDK 采用了自建线程池的方式。 本文还是以实用为主，想要了解更多信息请自行查找其他资料，下面对 Java 异步 IO 进行实践性的介绍。 总共有三个类需要我们关注，分别是 **AsynchronousSocketChannel**，**AsynchronousServerSocketChannel** 和 **AsynchronousFileChannel**，只不过是在之前介绍的 FileChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel 的类名上加了个前缀 **Asynchronous**。 Java 异步 IO 提供了两种使用方式，分别是返回 Future 实例和使用回调函数。 ### 1、返回 Future 实例 返回 java.util.concurrent.Future 实例的方式我们应该很熟悉，JDK 线程池就是这么使用的。Future 接口的几个方法语义在这里也是通用的，这里先做简单介绍。 - future.isDone(); 判断操作是否已经完成，包括了**正常完成、异常抛出、取消** - future.cancel(true); 取消操作，方式是中断。参数 true 说的是，即使这个任务正在执行，也会进行中断。 - future.isCancelled(); 是否被取消，只有在任务正常结束之前被取消，这个方法才会返回 true - future.get(); 这是我们的老朋友，获取执行结果，阻塞。 - future.get(10, TimeUnit.SECONDS); 如果上面的 get() 方法的阻塞你不满意，那就设置个超时时间。 ### 2、提供 CompletionHandler 回调函数 java.nio.channels.CompletionHandler 接口定义： ```java public interface CompletionHandler { void completed(V result, A attachment); void failed(Throwable exc, A attachment); } ``` > 注意，参数上有个 attachment，虽然不常用，我们可以在各个支持的方法中传递这个参数值 ```java AsynchronousServerSocketChannel listener = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(null); // accept 方法的第一个参数可以传递 attachment listener.accept(attachment, new CompletionHandler() { public void completed(   AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {       //   } public void failed(Throwable exc, Object attachment) {       //   } }); ``` ### AsynchronousFileChannel 网上关于 Non-Blocking IO 的介绍文章很多，但是 Asynchronous IO 的文章相对就少得多了，所以我这边会多介绍一些相关内容。 首先，我们就来关注异步的文件 IO，前面我们说了，文件 IO 在所有的操作系统中都不支持非阻塞模式，但是我们可以对文件 IO 采用异步的方式来提高性能。 下面，我会介绍 AsynchronousFileChannel 里面的一些重要的接口，都很简单，读者要是觉得无趣，直接滑到下一个标题就可以了。 实例化： ```java AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("/Users/hongjie/test.txt")); ``` 一旦实例化完成，我们就可以着手准备将数据读入到 Buffer 中： ```java ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); Future result = channel.read(buffer, 0); ``` > 异步文件通道的读操作和写操作都需要提供一个文件的开始位置，文件开始位置为 0 除了使用返回 Future 实例的方式，也可以采用回调函数进行操作，接口如下： ```java public abstract void read(ByteBuffer dst, long position, A attachment, CompletionHandler handler); ``` 顺便也贴一下写操作的两个版本的接口： ```java public abstract Future write(ByteBuffer src, long position); public abstract void write(ByteBuffer src, long position, A attachment, CompletionHandler handler); ``` 我们可以看到，AIO 的读写主要也还是与 Buffer 打交道，这个与 NIO 是一脉相承的。 另外，还提供了用于将内存中的数据刷入到磁盘的方法： ```java public abstract void force(boolean metaData) throws IOException; ``` > 因为我们对文件的写操作，操作系统并不会直接针对文件操作，系统会缓存，然后周期性地刷入到磁盘。如果希望将数据及时写入到磁盘中，以免断电引发部分数据丢失，可以调用此方法。参数如果设置为 true，意味着同时也将文件属性信息更新到磁盘。 还有，还提供了对文件的锁定功能，我们可以锁定文件的部分数据，这样可以进行排他性的操作。 ```java public abstract Future lock(long position, long size, boolean shared); ``` > position 是要锁定内容的开始位置，size 指示了要锁定的区域大小，shared 指示需要的是共享锁还是排他锁 当然，也可以使用回调函数的版本： ```java public abstract void lock(long position, long size, boolean shared, A attachment, CompletionHandler handler); ``` 文件锁定功能上还提供了 tryLock 方法，此方法会快速返回结果： ```java public abstract FileLock tryLock(long position, long size, boolean shared) throws IOException; ``` > 这个方法很简单，就是尝试去获取锁，如果该区域已被其他线程或其他应用锁住，那么立刻返回 null，否则返回 FileLock 对象。 AsynchronousFileChannel 操作大体上也就以上介绍的这些接口，还是比较简单的，这里就少一些废话早点结束好了。 ### AsynchronousServerSocketChannel 这个类对应的是非阻塞 IO 的 ServerSocketChannel，大家可以类比下使用方式。 我们就废话少说，用代码说事吧： ```java package com.javadoop.aio; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.net.SocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel; import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel; import java.nio.channels.CompletionHandler; public class Server { public static void main(String[] args) throws IOException { // 实例化，并监听端口 AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080)); // 自己定义一个 Attachment 类，用于传递一些信息 Attachment att = new Attachment(); att.setServer(server); server.accept(att, new CompletionHandler() { @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Attachment att) { try { SocketAddress clientAddr = client.getRemoteAddress(); System.out.println("收到新的连接：" + clientAddr); // 收到新的连接后，server 应该重新调用 accept 方法等待新的连接进来 att.getServer().accept(att, this); Attachment newAtt = new Attachment(); newAtt.setServer(server); newAtt.setClient(client); newAtt.setReadMode(true); newAtt.setBuffer(ByteBuffer.allocate(2048)); // 这里也可以继续使用匿名实现类，不过代码不好看，所以这里专门定义一个类 client.read(newAtt.getBuffer(), newAtt, new ChannelHandler()); } catch (IOException ex) { ex.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable t, Attachment att) { System.out.println("accept failed"); } }); // 为了防止 main 线程退出 try { Thread.currentThread().join(); } catch (InterruptedException e) { } } } ``` 看一下 ChannelHandler 类： ```java package com.javadoop.aio; import java.io.IOException; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.CompletionHandler; import java.nio.charset.Charset; public class ChannelHandler implements CompletionHandler { @Override public void completed(Integer result, Attachment att) { if (att.isReadMode()) { // 读取来自客户端的数据 ByteBuffer buffer = att.getBuffer(); buffer.flip(); byte bytes[] = new byte[buffer.limit()]; buffer.get(bytes); String msg = new String(buffer.array()).toString().trim(); System.out.println("收到来自客户端的数据: " + msg); // 响应客户端请求，返回数据 buffer.clear(); buffer.put("Response from server!".getBytes(Charset.forName("UTF-8"))); att.setReadMode(false); buffer.flip(); // 写数据到客户端也是异步 att.getClient().write(buffer, att, this); } else { // 到这里，说明往客户端写数据也结束了，有以下两种选择: // 1. 继续等待客户端发送新的数据过来 // att.setReadMode(true); // att.getBuffer().clear(); // att.getClient().read(att.getBuffer(), att, this); // 2. 既然服务端已经返回数据给客户端，断开这次的连接 try { att.getClient().close(); } catch (IOException e) { } } } @Override public void failed(Throwable t, Attachment att) { System.out.println("连接断开"); } } ``` 顺便再贴一下自定义的 Attachment 类： ```java public class Attachment { private AsynchronousServerSocketChannel server; private AsynchronousSocketChannel client; private boolean isReadMode; private ByteBuffer buffer; // getter & setter } ``` 这样，一个简单的服务端就写好了，接下来可以接收客户端请求了。上面我们用的都是回调函数的方式，读者要是感兴趣，可以试试写个使用 Future 的。 ### AsynchronousSocketChannel 其实，说完上面的 AsynchronousServerSocketChannel，基本上读者也就知道怎么使用 AsynchronousSocketChannel 了，和非阻塞 IO 基本类似。 这边做个简单演示，这样读者就可以配合之前介绍的 Server 进行测试使用了。 ```java package com.javadoop.aio; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel; import java.nio.charset.Charset; import java.util.concurrent.ExecutionException; import java.util.concurrent.Future; public class Client { public static void main(String[] args) throws Exception { AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(); // 来个 Future 形式的 Future future = client.connect(new InetSocketAddress(8080)); // 阻塞一下，等待连接成功 future.get(); Attachment att = new Attachment(); att.setClient(client); att.setReadMode(false); att.setBuffer(ByteBuffer.allocate(2048)); byte[] data = "I am obot!".getBytes(); att.getBuffer().put(data); att.getBuffer().flip(); // 异步发送数据到服务端 client.write(att.getBuffer(), att, new ClientChannelHandler()); // 这里休息一下再退出，给出足够的时间处理数据 Thread.sleep(2000); } } ``` 往里面看下 ClientChannelHandler 类： ```java package com.javadoop.aio; import java.io.IOException; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.CompletionHandler; import java.nio.charset.Charset; public class ClientChannelHandler implements CompletionHandler { @Override public void completed(Integer result, Attachment att) { ByteBuffer buffer = att.getBuffer(); if (att.isReadMode()) { // 读取来自服务端的数据 buffer.flip(); byte[] bytes = new byte[buffer.limit()]; buffer.get(bytes); String msg = new String(bytes, Charset.forName("UTF-8")); System.out.println("收到来自服务端的响应数据: " + msg); // 接下来，有以下两种选择: // 1. 向服务端发送新的数据 // att.setReadMode(false); // buffer.clear(); // String newMsg = "new message from client"; // byte[] data = newMsg.getBytes(Charset.forName("UTF-8")); // buffer.put(data); // buffer.flip(); // att.getClient().write(buffer, att, this); // 2. 关闭连接 try { att.getClient().close(); } catch (IOException e) { } } else { // 写操作完成后，会进到这里 att.setReadMode(true); buffer.clear(); att.getClient().read(buffer, att, this); } } @Override public void failed(Throwable t, Attachment att) { System.out.println("服务器无响应"); } } ``` 以上代码都是可以运行调试的，如果读者碰到问题，请在评论区留言。 ### Asynchronous Channel Groups 为了知识的完整性，有必要对 group 进行介绍，其实也就是介绍 AsynchronousChannelGroup 这个类。之前我们说过，异步 IO 一定存在一个线程池，这个线程池负责接收任务、处理 IO 事件、回调等。这个线程池就在 group 内部，group 一旦关闭，那么相应的线程池就会关闭。 AsynchronousServerSocketChannels 和 AsynchronousSocketChannels 是属于 group 的，当我们调用 AsynchronousServerSocketChannel 或 AsynchronousSocketChannel 的 open() 方法的时候，相应的 channel 就属于默认的 group，这个 group 由 JVM 自动构造并管理。 如果我们想要配置这个默认的 group，可以在 JVM 启动参数中指定以下系统变量： - java.nio.channels.DefaultThreadPool.threadFactory 此系统变量用于设置 ThreadFactory，它应该是 java.util.concurrent.ThreadFactory 实现类的全限定类名。一旦我们指定了这个 ThreadFactory 以后，group 中的线程就会使用该类产生。 - java.nio.channels.DefaultThreadPool.initialSize 此系统变量也很好理解，用于设置线程池的初始大小。 可能你会想要使用自己定义的 group，这样可以对其中的线程进行更多的控制，使用以下几个方法即可： - AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(ExecutorService executor, int initialSize) - AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory) - AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(ExecutorService executor) 熟悉线程池的读者对这些方法应该很好理解，它们都是 AsynchronousChannelGroup 中的静态方法。 至于 group 的使用就很简单了，代码一看就懂： ```java AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup .withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory()); AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group); AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(group); ``` **AsynchronousFileChannels 不属于 group**。但是它们也是关联到一个线程池的，如果不指定，会使用系统默认的线程池，如果想要使用指定的线程池，可以在实例化的时候使用以下方法： ```java public static AsynchronousFileChannel open(Path file, Set options, ExecutorService executor, FileAttribute... attrs) { ... } ``` 到这里，异步 IO 就算介绍完成了。 ## 小结 我想，本文应该是说清楚了非阻塞 IO 和异步 IO 了，对于异步 IO，由于网上的资料比较少，所以不免篇幅多了些。 我们也要知道，看懂了这些，确实可以学到一些东西，多了解一些知识，但是我们还是很少在工作中将这些知识变成工程代码。一般而言，我们需要在网络应用中使用 NIO 或 AIO 来提升性能，但是，在工程上，绝不是了解了一些概念，知道了一些接口就可以的，需要处理的细节还非常多。 这也是为什么 Netty/Mina 如此盛行的原因，因为它们帮助封装好了很多细节，提供给我们用户友好的接口，后面有时间我也会对 Netty 进行介绍。 （全文完）