JAVA AIO

JDK7中新增了一些与文件(网络)I/O相关的一些API，这些API被称为NIO2，或称为AIO(Asynchronous I/O)。

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• JAVA IO学习笔记： NIO介绍
• JAVA IO学习笔记： AIO介绍
• JAVA IO学习笔记：压缩和序列化

AIO 介绍

AIO最大的一个特性就是异步能力，这种能力对socket与文件I/O都起作用。AIO其实是一种在读写操作结束之前允许进行其他操作的I/O处理。AIO是对JDK1.4中提出的同步非阻塞I/O(NIO)的进一步增强。

增加的新的类如下:

• AsynchronousChannel：支持异步通道，包括服务端AsynchronousServerSocketChannel和普通AsynchronousSocketChannel等实现。
• CompletionHandler：用户处理器。定义了一个用户处理就绪事件的接口，由用户自己实现，异步io的数据就绪后回调该处理器消费或处理数据。
• AsynchronousChannelGroup：一个用于资源共享的异步通道集合。处理IO事件和分配给CompletionHandler

另外，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：

• AsynchronousSocketChannel
• AsynchronousServerSocketChannel
• AsynchronousFileChannel
• AsynchronousDatagramChannel

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。因此在实际中AIO使用不是很广泛。

下面看一个简单的AIO的例子。

服务器：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;

public class AIOServer {
    public final static int PORT = 9888;
    private AsynchronousServerSocketChannel server;

    public AIOServer() throws IOException {
        server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(
                new InetSocketAddress(PORT)
        );
    }

    public void startWithFuture() throws InterruptedException, ExecutionException,
            TimeoutException {
        System.out.println("Sever listen on " + PORT);
        Future future = server.accept();
        AsynchronousSocketChannel socket = future.get();
        ByteBuffer readBuf = ByteBuffer.allocate(1024);
        readBuf.clear();
        socket.read(readBuf).get(100, TimeUnit.SECONDS);
        readBuf.flip();
        System.out.println("received message:" + new String(readBuf.array()));
        System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }

    public void startWithCompletionHandler() throws InterruptedException, ExecutionException,
            TimeoutException {
        System.out.println("Server listen on " + PORT);
        //注册事件和事件完成后的处理器
        server.accept(null, new CompletionHandler() {
            final ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            public void completed(AsynchronousSocketChannel result, Object attachment) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                System.out.println("start");
                try {
                    buffer.clear();
                    result.read(buffer).get(100, TimeUnit.SECONDS);
                    buffer.flip();
                    System.out.println("received message: " + new String(buffer.array()));
                }  catch(InterruptedException | ExecutionException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (TimeoutException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    try{
                        result.close();
                        server.accept(null, this);
                    } catch(Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("end");
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
                System.out.println("failed: " + exc);
            }
        });

        // 主线程继续自己的行为
        while(true) {
            System.out.println("main thread");
            Thread.sleep(1000);
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        new AIOServer().startWithCompletionHandler();
    }
}

客户端：

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;

public class AIOClient{

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
        client.connect(new InetSocketAddress("localhost", 9888));
        client.write(ByteBuffer.wrap("just a test".getBytes())).get();
    }

}

JAVA BIO NIO和AIO对比

简单介绍：

• 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。

• 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。

• 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，

场景分析:

• 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。

• 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。

• 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。

在高性能的I/O设计中，有两个比较著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor运用于异步I/O操作。

一般来说I/O模型可以分为：同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞IO。

• 同步阻塞IO：在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式！

• 同步非阻塞IO:在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。

• 异步阻塞IO：此种方式下是指应用发起一个IO操作以后，不等待内核IO操作的完成，等内核完成IO操作以后会通知应用程序，这其实就是同步和异步最关键的区别，同步必须等待或者主动的去询问IO是否完成，那么为什么说是阻塞的呢？因为此时是通过select系统调用来完成的，而select函数本身的实现方式是阻塞的，而采用select函数有个好处就是它可以同时监听多个文件句柄，从而提高系统的并发性！

• 异步非阻塞IO:在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种IO模型。