共计 7917 个字符，预计需要花费 20 分钟才能阅读完成。
本文由得物技术团队 Uni 分享，即时通讯网收录时有内容订正和大量排版优化。
1、引言
对于 Java 网络编程中的同步 IO 和异步 IO 的区别及原理的文章十分的多，具体来说次要还是在探讨 Java BIO 和 Java NIO 这两者，而对于 Java AIO 的文章就少之又少了（即应用也只是介绍了一下概念和代码示例）。
在深刻理解 AIO 之前，我留神到以下几个景象：
1）2011 年 Java 7 公布，它减少了 AIO（号称异步 IO 网络编程模型），但 12 年过来了，平时应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 的反对？（点此查看）；
4）AIO 看起来貌似只是解决了有无，理论是公布了个寂寞？
Java AIO 的这些不合常理的景象难免会令人心存疑惑。所以决定写这篇文章时，我不想只是简略的把 AIO 的概念再复述一遍，而是要透过景象，深入分析、思考和并了解 Java AIO 的实质。
技术交换：
- 挪动端 IM 开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发挪动端 IM》
- 开源 IM 框架源码：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（备用地址点此）
（本文已同步公布于：http://www.52im.net/thread-4283-1-1.html）
2、咱们所了解的异步
AIO 的 A 是 Asynchronous（即异步）的意思，在理解 AIO 的原理之前，咱们先理清一下“异步”到底是怎么的一个概念。说起异步编程，在平时的开发还是比拟常见的。
例如以下的代码示例：@Asyncpublicvoidcreate() { //TODO} publicvoidbuild() { executor.execute(() -> build());}
不论是用 @Async 注解，还是往线程池里提交工作，他们最终都是同一个后果，就是把要执行的工作，交给另外一个线程来执行。这个时候，咱们能够大抵的认为，所谓的“异步”，就是用多线程的形式去并行执行工作。
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，咱们先依照异步这个思路，做异步编程。
3.1BIO 代码示例
byte[] data = newbyte[1024];InputStream in = socket.getInputStream();in.read(data);// 接管到数据，异步解决 executor.execute(() -> handle(data)); publicvoidhandle(byte[] data) {// TODO}
如上：BIO 在 read() 时，尽管线程阻塞了，但在收到数据时，能够异步启动一个线程去解决。
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) {}}); }} publicstaticvoidhandle(ByteBuffer buffer) {// TODO}
同理：NIO 尽管 read() 是非阻塞的，通过 select() 能够阻塞期待数据，在有数据可读的时候，异步启动一个线程，去读取数据和解决数据。
3.3 产生的了解偏差
此时咱们山盟海誓地说，Java 的 BIO 和 NIO 是异步还是同步，取决你的情绪，你快乐给它个多线程，它就是异步的。但果真如此么？在翻阅了大量博客文章之后，基本一致的说明了——BIO 和 NIO 是同步的。那问题点出在哪呢，是什么造成了咱们了解上的偏差呢？那就是参考系的问题，以前学物理时，公交车上的乘客是静止还是静止，须要有参考系前提，如果以高空为参考，他是静止的，以公交车为参考，他是静止的。Java IO 也是一样，须要有个参考系，能力定义它是同步还是异步。既然咱们探讨的是对于 Java IO 是哪一种模式，那就是要针对 IO 读写操作这件事来了解，而其余的启动另外一个线程去解决数据，曾经是脱离 IO 读写的范畴了，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，咱们先尝试的这样定义，就是：发动 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() 以后线程阻塞，有数据返回的时候，接管到数据的还是原来的线程；
2）而 NIO 也称之为同步，起因也是如此，调用 channel.read() 时，线程尽管不会阻塞，但读到数据的还是以后线程。
依照这个思路，AIO 应该是发动 IO 读写的线程，和理论收到数据的线程，可能不是同一个线程。是不是这样呢？咱们将在上一节间接上 Java AIO 的代码，咱们从 理论代码中一窥到底吧。
4、一个 Java AIO 的网络编程示例
4.1AIO 服务端程序代码
publicclassAioServer {publicstaticvoidmain(String[] args) throwsIOException {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ” AioServer start”); AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open() .bind(newInetSocketAddress(“127.0.0.1″, 8080)); serverChannel.accept(null, newCompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {@Override publicvoidcompleted(AsynchronousSocketChannel clientChannel, Void attachment) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ” client is connected”); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); clientChannel.read(buffer, buffer, newClientHandler()); } @Override publicvoidfailed(Throwable exc, Void attachment) {System.out.println(“accept fail”); } }); System.in.read();}} publicclassClientHandler implementsCompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {@Override publicvoidcompleted(Integer result, ByteBuffer buffer) {buffer.flip(); byte[] data = newbyte[buffer.remaining()]; buffer.get(data); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ” received:”+ newString(data, StandardCharsets.UTF_8)); } @Override publicvoidfailed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {}}
4.2AIO 客户端程序
publicclassAioClient {publicstaticvoidmain(String[] args) throwsException {AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open(); channel.connect(newInetSocketAddress(“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 异步的定义猜测论断别离运行服务端和客户端程序:
在服务端运行后果里：
1）main 线程发动 serverChannel.accept 的调用，增加了一个 CompletionHandler 监听回调，当有客户端连贯过去时，Thread- 5 线程执行了 accep 的 completed 回调办法。
2）紧接着 Thread- 5 又发动了 clientChannel.read 调用，也增加了个 CompletionHandler 监听回调，当收到数据时，是 Thread- 1 的执行了 read 的 completed 回调办法。
这个论断和下面异步猜测统一：发动 IO 操作（例如 accept、read、write）调用的线程，和最终实现这个操作的线程不是同一个，咱们把这种 IO 模式称之 AIO。当然了，这样定义 AIO 只是为了不便咱们了解，理论中对异步 IO 的定义可能更形象一点。
5、AIO 示例引发思考 1：“执行 completed() 办法的线程是谁创立、什么时候创立？”
个别，这样的问题，须要从程序的入口的开始理解，但跟线程相干，其实是能够从线程栈的运行状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，其余平台略有差别）。如下图所示。
剖析线程栈，发现，程序启动了那么几个线程：
1）线程 Thread- 0 阻塞在 EPoll.wait() 办法上；
2）线程 Thread-1、Thread-2~Thread-n（n 和 CPU 外围数量统一）从阻塞队列里 take() 工作，阻塞期待有工作返回。此时能够暂定下一个论断：AIO 服务端程序启动之后，就开始创立了这些线程，且线程都处于阻塞期待状态。另外：发现这些线程的运行都跟 epoll 有关系！提到 epoll，咱们印象中，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？为了证实这个论断，咱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，去浏览 JDK 剖析源码时，发现源码特地的长，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。对于长流程和逻辑简单的代码的了解，咱们能够抓住它几个脉络，找出哪几个外围流程。以注册监听 read 为例 clientChannel.read(…)，它次要的外围流程是：注册事件 -> 监听事件 -> 处理事件。
注册事件：
注：注册事件调用 EPoll.ctl(…) 函数，这个函数在最初的参数用于指定是一次性的，还是永久性。下面代码 events | EPOLLONSHOT 字面意思看来，是一次性的。
监听事件：
处理事件：
外围流程总结：
在剖析完下面的代码流程后会发现：每一次 IO 读写都要经验的这三个事件是一次性的，也就是在处理事件完，本次流程就完结了，如果想持续下一次的 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（回调办法里再增加下一个回调办法），这对于编程的复杂度大大提高了。
7、AIO 示例引发思考 3：监听回调的实质是什么？
7.1 概述
先说一下论断：所谓监听回调的实质，就是用户态线程调用内核态的函数（精确的说是 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。对于这个论断的了解，要先引入几个概念。
7.2 零碎调用与函数调用
函数调用：找到某个函数，并执行函数里的相干命令。零碎调用：操作系统对用户应用程序提供了编程接口，所谓 API。
零碎调用执行过程：
1）传递零碎调用参数；
2）执行陷入指令，用用户态切换到外围态（这是因为零碎调用个别都须要再外围态下执行）；
3）执行零碎调用程序；
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：通过零碎调用形式即可。内核态 -> 用户态：内核态基本不晓得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，比方 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被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 用理论例子验证论断
为了验证这个论断是否有说服力，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。依照常规，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：能够看到“AWT-XAWT”正在做 while 循环，调用 waitForEvents 函数期待事件返回。如果没有事件，线程就始终阻塞在那边。如下图所示。
8、Java AIO 的实质是什么？
8.1Java AIO 的实质，就是只在用户态实现了异步
因为内核态无奈间接调用用户态函数，Java AIO 的实质，就是只在用户态实现异步，并没有达到现实意义上的异步。
1）现实中的异步：何谓现实意义上的异步？
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 把货色送到 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必他来操心了，能够持续做其余事。B 送货也不关怀 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，互不相烦扰。假如 A 购物是用户态来做，B 送快递是内核态来做，这种程序运行形式过于现实了，理论中实现不了。
2）事实中的异步：A 住的是低档小区，不能随便进去，快递只能送到小区门口。A 买了一件比拟重的商品，比方一台电视，因为 A 要下班不在家里，所以找了一个好友 C 帮忙把电视搬到他家。A 出门下班前，跟门口的保安 D 打声招呼，说明天有一台电视送过来，送到小区门口时，请电话分割 C，让他过去拿。
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 事件达到；
4）保安告诉 C 电视到了，C 过去搬电视，相当于处理事件（在 AIO 中就是 Thread- 0 往工作队列提交工作，Thread-1 ~n 去取数据，并执行回调办法）。整个过程中，保安 D 必须始终蹲着，寸步不能来到，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，货色到了，人却不在现场，这有点失信于人。所以理论的异步和现实中的异步，在互不依赖，互不烦扰，这两点相违反了。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 实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解决的实质统一。8.2Java AIO 的其它假相 Java AIO 跟 NIO 一样：在各个平台的底层实现形式也不同，在 Linux 是用 epoll、Windows 是 IOCP、Mac OS 是 KQueue。原理是大同小异，都是须要一个用户线程阻塞期待 IO 事件，一个线程池从队列里处理事件。Netty 之所以移除掉 AIO：很大的起因是在性能上 AIO 并没有比 NIO 高。Linux 尽管也有一套原生的 AIO 实现（相似 Windows 上的 IOCP），但 Java AIO 在 Linux 并没有采纳，而是用 epoll 来实现。Java AIO 不反对 UDP。AIO 编程形式略显简单，比方“死亡回调”。
9、参考资料
[1] 少啰嗦！一分钟带你读懂 Java 的 NIO 和经典 IO 的区别
[2] 史上最强 Java NIO 入门：放心从入门到放弃的，请读这篇！
[3] Java 的 BIO 和 NIO 很难懂？用代码实际给你看，再不懂我转行！
[4] Java 新一代网络编程模型 AIO 原理及 Linux 零碎 AIO 介绍
[5] 从 0 到 1 的疾速裂变：详解快的打车架构设计及技术实际
[6] 新手入门：目前为止最透彻的的 Netty 高性能原理和框架架构解析
[7] 史上最艰深 Netty 框架入门长文：根本介绍、环境搭建、入手实战
[8] 高性能网络编程 (五)：一文读懂高性能网络编程中的 I / O 模型
[9] 高性能网络编程 (六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型
[10] 高性能网络编程 (七)：到底什么是高并发？一文即懂！
[11] 从根上了解高性能、高并发 (二)：深刻操作系统，了解 I / O 与零拷贝技术
[12] 从根上了解高性能、高并发 (三)：深刻操作系统，彻底了解 I / O 多路复用
[13] 从根上了解高性能、高并发 (四)：深刻操作系统，彻底了解同步与异步
[14] 从根上了解高性能、高并发 (五)：深刻操作系统，了解高并发中的协程
（本文已同步公布于：http://www.52im.net/thread-4283-1-1.html）