透过现象看Java AIO的本质

开发 前端
2011年Java 7发布,里面增加了AIO称之为异步IO的编程模型,但已经过去了近12年,平时使用的开发框架中间件,还是以NIO为主,例如网络框架Netty、Mina,Web容器Tomcat、Undertow。

1、前言

关于Java BIO、NIO、AIO的区别和原理,这样的文章非常的多的,但主要还是在BIO和NIO这两者之间讨论,而关于AIO这样的文章就少之又少了,很多只是介绍了一下概念和代码示例。

在了解AIO时,有注意到以下几个现象:

  •  2011年Java 7发布,里面增加了AIO称之为异步IO的编程模型,但已经过去了近12年,平时使用的开发框架中间件,还是以NIO为主,例如网络框架Netty、Mina,Web容器Tomcat、Undertow。
  • Java AIO又称为NIO 2.0,难道它也是基于NIO来实现的?
  • Netty舍去了AIO的支持。https://github.com/netty/netty/issues/2515
  • AIO看起来只是解决了有无,发布了个寂寞。

这几个现象不免会令很多人心存疑惑,所以决定写这篇文章时,不想简单的把AIO的概念再复述一遍,而是要透过现象, 如何分析、思考和理解Java AIO的本质。

2、什么是异步

2.1 我们所了解的异步

AIO的A是Asynchronous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,例如以下的代码示例:

@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,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,可以大致的认为,所谓的“异步”,就是多线程,执行任务。

2.2 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。

2.2.1 BIO示例byte [] data = new byte[1024];

byte [] data = new byte[1024];
InputStream in = socket.getInputStream();
in.read(data);
// 接收到数据,异步处理
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。

2.2.3 产生理解的偏差

此时我们信誓旦旦的说,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,才能定义它是同步异步,既然我们讨论的是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。

2.2.4 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。

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。

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,现在开始上Java AIO的代码。

2.3 Java AIO的程序示例

2.3.1 AIO服务端程序

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);
}
}

2.3.3 异步的定义猜想结论

分别运行服务端和客户端程序

图片

在服务端运行结果里,

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。

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。

3、AIO示例引发思考的问题

  •  执行completed()方法的这个线程是谁创建的,什么时候创建的?
  • AIO注册事件监听和执行回调是如何实现的?
  •  监听回调的本质是什么?

3.1 问题1:执行completed()方法的这个线程是谁创建的,什么时候创建的

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)

图片

分析线程栈,发现,程序启动了那么几个线程

  •  线程Thread-0阻塞在EPoll.wait()方法上
  •  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

3.2 问题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:

1、注册事件 -> 2、监听事件 -> 3、处理事件

3.2.1 1、注册事件

图片

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。

3.2.2 2、监听事件

图片

3.2.3 3、处理事件

图片

图片

图片

3.2.4 核心流程总结

图片

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。

3.3 问题3: 监听回调的本质是什么?

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

3.3.1 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

3.3.2 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。

3.3.3 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。

图片

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。

图片

4、Java AIO的本质是什么?

  • 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。

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

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

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。

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。

  • 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。
  • 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(..)
  • 快递员把电视送到门口,相当于有IO事件到达。
  • 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只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。

  • 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”
责任编辑:武晓燕 来源: 得物技术
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