Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍

1、前言

从JDK 7版本开始，Java新加入的文件和网络io特性称为nio2(new io 2, 因为jdk1.4中已经有过一个nio了)，包含了众多性能和功能上的改进，其中最重要的部分，就是对异步io的支持，称为Java AIO(asynchronous IO)。

因为AIO的实施需充分调用OS参与，IO需要操作系统支持、并发也同样需要操作系统的支持，所以性能方面不同操作系统差异会比较明显。所以本文也附带介绍了Linux 2.6及以后版本新增的AIO特性（因为这跟Java AIO是对应关系）。

* 推荐阅读：《到底什么是Java AIO？为什么Netty会移除AOI？一文搞懂AIO的本质！》。
* 相关文章：另一篇提到AIO的大型应用架构实践的文章。《从0到1的快速裂变：详解快的打车架构设计及技术实践》

* 本文已于2021年12月9日重新优化排版。
* 本文已于2023年06月18日加入《到底什么是Java AIO？为什么Netty会移除AOI？一文搞懂AIO的本质！》一文链接。

2、Java AIO

2.1基本原理

目前为止，Java共支持3种网络编程模型：BIO、NIO、AIO：

• 1）Java BIO ： 同步并阻塞，服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善；
• 2）Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理；
• 3）Java AIO(NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。
  

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

• 1）BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解；
• 2）NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持；
• 3）AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。
  

2.2AIO介绍

jdk在1.4版本的nio中提供了对非阻塞多路复用同步io模型的支持，但是在Windows上是基于较低效select/poll实现的。

jdk1.7中提供对aio的支持后，带来了两方面的好处：

• 1）Windows上可以使用iocp了；
• 2）简化了网络变成模型。异步io相比较非阻塞多路复用模型更易理解，开发更为简单。
  

和多路复用的java nio相比较，可以发现，异步io是在数据读取或者写入调用已经完成的时候，再通知调用者，而非阻塞多路复用io则是在有数据就绪，可以读写的时候通知调用者，读写仍然是由调用者执行并且是阻塞的(这意味着如果要同时进行其他工作，要控制读写操作不能阻塞太长时间或者需要将其放去单独的io线程执行)。

JDK7中的java aio新增的类和接口主要有：

• 1）AsynchronousServerSocketChannel ：对应于bio中的ServerSocket和nio中的ServerSocketChannel，用于server端的网络程序；
• 2）AsynchronousSocketChannel：对云关于bio中的Socket和nio中的SocketChannel，用于client端的网络程序；
• 3）CompletionHandler：回调接口，在socket进行accept/connect/read/write等操作时，可以传入一个CompletionHandler的实现，操作执行完毕后，会调用注册的CompletionHandler。
  

除了CompletionHandler这种回调方式，aio中还支持返回Future对象，使用Future来设定回调操作。

3、Linux AIO

3.1Linux AIO 简介

Linux 异步 I/O 是 Linux 内核中提供的一个相当新的增强。它是 2.6 版本内核的一个标准特性，但是我们在 2.4 版本内核的补丁中也可以找到它。AIO 背后的基本思想是允许进程发起很多 I/O 操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。稍后或在接收到 I/O 操作完成的通知时，进程就可以检索 I/O 操作的结果。

3.2Linux 的 I/O 模型

在深入介绍 AIO API 之前，让我们先来探索一下 Linux 上可以使用的不同 I/O 模型。这并不是一个详尽的介绍，但是我们将试图介绍最常用的一些模型来解释它们与异步 I/O 之间的区别。图 1 给出了同步和异步模型，以及阻塞和非阻塞的模型。

基本 Linux I/O 模型的简单矩阵：


每个 I/O 模型都有自己的使用模式，它们对于特定的应用程序都有自己的优点。

3.2.1）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。

3.2.2）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。

3.2.3）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。

3.2.4）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。

3.3异步 I/O（AIO） 的动机

从前面 I/O 模型的分类中，我们可以看出 AIO 的动机。这种阻塞模型需要在 I/O 操作开始时阻塞应用程序。这意味着不可能同时重叠进行处理和 I/O 操作。

同步非阻塞模型允许处理和 I/O 操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查 I/O 操作的状态。这样就剩下异步非阻塞 I/O 了，它允许处理和 I/O 操作重叠进行，包括 I/O 操作完成的通知。

除了需要阻塞之外，select 函数所提供的功能（异步阻塞 I/O）与 AIO 类似。不过，它是对通知事件进行阻塞，而不是对 I/O 调用进行阻塞。

4、本文小结

使用异步 I/O（AIO）可以帮助我们构建 I/O 速度更快、效率更高的应用程序。如果我们的应用程序可以对处理和 I/O 操作重叠进行，那么 AIO 就可以帮助我们构建可以更高效地使用可用 CPU 资源的应用程序。

尽管这种 I/O 模型与在大部分 Linux 应用程序中使用的传统阻塞模式都不同，但是异步通知模型在概念上来说却非常简单，可以简化我们的设计。

附录：更多高性能网络编程资料

[1] NIO异步网络编程：
《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》
《有关“为何选择Netty”的11个疑问及解答》
《开源NIO框架八卦——到底是先有MINA还是先有Netty?》
《选Netty还是Mina：深入研究与对比（一）》
《选Netty还是Mina：深入研究与对比（二）》
《NIO框架入门(一)：服务端基于Netty4的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(二)：服务端基于MINA2的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(三)：iOS与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《NIO框架入门(四)：Android与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《Netty 4.x学习（一）：ByteBuf详解》
《Netty 4.x学习（二）：Channel和Pipeline详解》
《Netty 4.x学习（三）：线程模型详解》
《Apache Mina框架高级篇（一）：IoFilter详解》
《Apache Mina框架高级篇（二）：IoHandler详解》
《MINA2 线程原理总结（含简单测试实例）》
《Apache MINA2.0 开发指南（中文版）[附件下载]》
《MINA、Netty的源代码（在线阅读版）已整理发布》
《解决MINA数据传输中TCP的粘包、缺包问题（有源码）》
《解决Mina中多个同类型Filter实例共存的问题》
《实践总结：Netty3.x升级Netty4.x遇到的那些坑（线程篇）》
《实践总结：Netty3.x VS Netty4.x的线程模型》
《详解Netty的安全性：原理介绍、代码演示（上篇）》
《详解Netty的安全性：原理介绍、代码演示（下篇）》
《详解Netty的优雅退出机制和原理》
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真心学习一下

认真学习

据说Linux不支持AIO？

引用：blinnn 发表于 2018-11-29 17:41
据说Linux不支持AIO？

你说的恰恰相反吧

认真学习了

所以 netty 的epoll kqueue 指的是 异步还是同步非阻塞IO呢
我觉得是异步非阻塞
上一篇 讲到的异步或者同步  对象除了指的是被调用者 (作为主体) 还要指名 调用者是否需要立即返回的结果(结果)
这点也很重要!!!
区别于阻塞和非阻塞指的是调用者 发起IO请求(可以指的是上层http请求)到调用者收到结果之前的这段时间,调用者是否不能做其他事情(被阻塞)

引用：xiaobin 发表于 2019-03-18 22:11
所以 netty 的epoll kqueue 指的是 异步还是同步非阻塞IO呢
我觉得是异步非阻塞
上一篇 讲到的异步或者 ...

学的很认真

引用：xiaobin 发表于 2019-03-18 22:11
所以 netty 的epoll kqueue 指的是 异步还是同步非阻塞IO呢
我觉得是异步非阻塞
上一篇 讲到的异步或者 ...

我认为netty的实现是异步阻塞，也就是他宣传的NIO。netty尝试过AIO的实现，但是后来放弃了，据netty的同学说是AIO性能提升不明显。

不懂就问；所以异步阻塞就是IO复用？但是这个文章说同步阻塞...
还是说其实同步、异步、阻塞、非阻塞都需要分层对待？例如网卡到内核空间的异步的，但是内核空间到用户空间是同步的？

最后异步I/O(AIO)的动机

引用：这种阻塞模型需要在 I/O 操作开始时阻塞应用程序。这意味着不可能同时重叠进行处理和 I/O 操作。

这句话指的是BIO吧

引用：Rayman 发表于 2021-08-05 11:50
不懂就问；所以异步阻塞就是IO复用？但是这个文章说同步阻塞...
还是说其实同步、异步、阻塞、非阻塞都需 ...

我感觉他有两处弄反了

引用：xiaobin 发表于 2019-03-18 22:11
所以 netty 的epoll kqueue 指的是 异步还是同步非阻塞IO呢
我觉得是异步非阻塞
上一篇 讲到的异步或者 ...

netty Reactor 模型 是同步非阻塞。

- 阻塞和非阻塞的区别： 线程是否挂起。
- 异步和同步的区别：主动与被动的通知方式。

c10k 那篇也错了吧，说 epoll 是异步非阻塞。

引用：haibaoyou 发表于 2022-10-17 12:39
netty Reactor 模型 是同步非阻塞。

- 阻塞和非阻塞的区别： 线程是否挂起。

...一年前看·的知识点，现在都忘了这是什么东西了= =