Java NIO 基礎(chǔ)知識(shí)

已經(jīng)很久沒(méi)有更新文章了，對(duì)于大家的期待，真的非常抱歉。

一直想著寫一些 NIO 相關(guān)的文章的，不過(guò)進(jìn)度有點(diǎn)慢。這篇文章也不算是正式介紹 NIO 的，就是先介紹一些相關(guān)的知識(shí)，畢竟底子才是最重要的。

我想著可能 NIO 會(huì)大概分為三篇文章。這篇算是基礎(chǔ)知識(shí)介紹，不一定直接和 NIO 相關(guān)，但是多了解相關(guān)的知識(shí)總是好的；下一篇準(zhǔn)備介紹 Java NIO 和 NIO2；最后一篇介紹 Netty，誰(shuí)讓它牛逼到都遮住了 Java NIO 的光芒呢。

計(jì)劃是這么計(jì)劃的，后兩篇在哪里我也不知道，至少第一篇是這么成文了。

面向讀者：希望讀者已經(jīng)熟悉 IO 了，最好是或多或少聽(tīng)過(guò)一些 NIO 的故事。

前言

前言部分是科普，讀者可自行選擇是否閱讀這部分內(nèi)容。

為什么我們需要關(guān)心 NIO？我想很多業(yè)務(wù)猿都會(huì)有這個(gè)疑問(wèn)。

我在工作的前兩年對(duì)這個(gè)問(wèn)題也很不解，因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候我認(rèn)為自己已經(jīng)非常熟悉 IO 操作了，讀寫文件什么的都非常溜了，IO 包無(wú)非就是 File、RandomAccessFile、字節(jié)流、字符流這些，感覺(jué)沒(méi)什么好糾結(jié)的。最混亂的當(dāng)屬 InputStream/OutputStream 一大堆的類不知道誰(shuí)是誰(shuí)，不過(guò)了解了裝飾者模式以后，也都輕松破解了。

在 Java 領(lǐng)域，一般性的文件操作確實(shí)只需要和 java.io 包打交道就可以了，尤其對(duì)于寫業(yè)務(wù)代碼的程序員來(lái)說(shuō)。不過(guò)，當(dāng)你寫了兩三年代碼后，你的業(yè)務(wù)代碼可能已經(jīng)寫得很溜了，蒙著眼睛也能寫增刪改查了。這個(gè)時(shí)候，也許你會(huì)想要開(kāi)始了解更多的底層內(nèi)容，包括并發(fā)、JVM、分布式系統(tǒng)、各個(gè)開(kāi)源框架源碼實(shí)現(xiàn)等，處于這個(gè)階段的程序員會(huì)開(kāi)始認(rèn)識(shí)到 NIO 的用處，因?yàn)橄到y(tǒng)間通訊無(wú)處不在。

可能很多人不知道 Netty 或 Mina 有什么用？和 Tomcat 有什么區(qū)別？為什么我用 HTTP 請(qǐng)求就可以解決應(yīng)用間調(diào)用的問(wèn)題卻要使用 Netty？

當(dāng)然，這些問(wèn)題的答案很簡(jiǎn)單，就是為了提升性能。那意思是 Tomcat 性能不好？當(dāng)然不是，它們的使用場(chǎng)景就不一樣。當(dāng)初我也不知道 Nginx 擺在 Tomcat 前面有什么用，也是經(jīng)過(guò)實(shí)踐慢慢領(lǐng)悟到了那么些意思。

Nginx 是 web 服務(wù)器，Tomcat/Jetty 是應(yīng)用服務(wù)器，Netty 是通訊工具。

也許你現(xiàn)在還不知道 NIO 有什么用，但是一定不要放棄學(xué)習(xí)它。

緩沖區(qū)操作

緩沖區(qū)是 NIO 操作的核心，本質(zhì)上 NIO 操作就是緩沖區(qū)操作。

寫操作是將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)排干，如將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)持久化到磁盤中。

讀操作是將數(shù)據(jù)填充到緩沖區(qū)中，以便應(yīng)用程序后續(xù)使用數(shù)據(jù)。

當(dāng)然，我們這里說(shuō)的緩沖區(qū)是指用戶空間的緩沖區(qū)。

簡(jiǎn)單分析下上圖。應(yīng)用程序發(fā)出讀操作后，內(nèi)核向磁盤控制器發(fā)送命令，要求磁盤返回相應(yīng)數(shù)據(jù)，磁盤控制器通過(guò) DMA 直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到內(nèi)核緩沖區(qū)。一旦內(nèi)核緩沖區(qū)滿了，內(nèi)核即把數(shù)據(jù)拷貝到請(qǐng)求數(shù)據(jù)的進(jìn)程指定的緩沖區(qū)中。

DMA:?Direct?Memory?Access

Wikipedia：直接內(nèi)存訪問(wèn)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一種內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)。它允許某些電腦內(nèi)部的硬件子系統(tǒng)（電腦外設(shè)），可以獨(dú)立地直接讀寫系統(tǒng)內(nèi)存，而不需中央處理器（CPU）介入處理 。在同等程度的處理器負(fù)擔(dān)下，DMA 是一種快速的數(shù)據(jù)傳送方式。很多硬件的系統(tǒng)會(huì)使用 DMA，包含硬盤控制器、繪圖顯卡、網(wǎng)卡和聲卡。

也就是說(shuō)，磁盤控制器可以在不用 CPU 的幫助下就將數(shù)據(jù)從磁盤寫到內(nèi)存中，畢竟讓 CPU 等待 IO 操作完成是一種浪費(fèi)

很容易看出來(lái)，數(shù)據(jù)先到內(nèi)核，然后再?gòu)膬?nèi)核復(fù)制到用戶空間緩沖區(qū)的做法并不高效，下面簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)為什么需要這么設(shè)計(jì)。

首先，用戶空間運(yùn)行的代碼是不可以直接訪問(wèn)硬件的，需要由內(nèi)核空間來(lái)負(fù)責(zé)和硬件通訊，內(nèi)核空間由操作系統(tǒng)控制。

其次，磁盤存儲(chǔ)的是固定大小的數(shù)據(jù)塊，磁盤按照扇區(qū)來(lái)組織數(shù)據(jù)，而用戶進(jìn)程請(qǐng)求的一般都是任意大小的數(shù)據(jù)塊，所以需要由內(nèi)核來(lái)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)，內(nèi)核會(huì)負(fù)責(zé)組裝、拆解數(shù)據(jù)。

內(nèi)核空間會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和預(yù)讀取，所以，如果用戶進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)剛好在內(nèi)核空間中，直接拷貝過(guò)來(lái)就可以了。如果內(nèi)核空間沒(méi)有用戶進(jìn)程需要的數(shù)據(jù)的話，需要掛起用戶進(jìn)程，等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

虛擬內(nèi)存

這個(gè)概念大家都懂，這里就繼續(xù)啰嗦一下了，虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)。前面說(shuō)的緩存區(qū)操作看似簡(jiǎn)單，但是具體到底層細(xì)節(jié)，還是蠻復(fù)雜的。

下面的描述，我盡量保證準(zhǔn)確，但是不會(huì)展開(kāi)得太具體，因?yàn)樘摂M內(nèi)存還是蠻復(fù)雜的，要完全介紹清楚，恐怕需要很大的篇幅，如果讀者對(duì)這方面的內(nèi)容感興趣的話，建議讀者尋找更加專業(yè)全面的介紹資料，如《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》。

物理內(nèi)存被組織成一個(gè)很大的數(shù)組，每個(gè)單元是一個(gè)字節(jié)大小，然后每個(gè)字節(jié)都有一個(gè)唯一的物理地址，這應(yīng)該很好理解。

虛擬內(nèi)存是對(duì)物理內(nèi)存的抽象，它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它自己擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個(gè)連續(xù)完整的地址空間），而實(shí)際上，應(yīng)用程序得到的全部?jī)?nèi)存其實(shí)是一個(gè)假象，它通常會(huì)被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存碎片（后面說(shuō)的頁(yè)），還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行換入換出。

舉個(gè)例子，在 32 位系統(tǒng)中，每個(gè)應(yīng)用程序能訪問(wèn)到的內(nèi)存是 4G（32 位系統(tǒng)的最大尋址空間 2^32），這里的 4G 就是虛擬內(nèi)存，每個(gè)程序都以為自己擁有連續(xù)的 4G 空間的內(nèi)存，即使我們的計(jì)算機(jī)只有 2G 的物理內(nèi)存。也就是說(shuō)，對(duì)于機(jī)器上同時(shí)運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用程序，每個(gè)程序都以為自己能得到連續(xù)的 4G 的內(nèi)存。這中間就是使用了虛擬內(nèi)存。

我們從概念上看，虛擬內(nèi)存也被組織成一個(gè)很大的數(shù)組，每個(gè)單元也是一個(gè)字節(jié)大小，每個(gè)字節(jié)都有唯一的虛擬地址。它被存儲(chǔ)于磁盤上，物理內(nèi)存是它的緩存。

物理內(nèi)存作為虛擬內(nèi)存的緩存，當(dāng)然不是以字節(jié)為單位進(jìn)行組織的，那樣效率太低了，它們之間是以頁(yè)（page）進(jìn)行緩存的。虛擬內(nèi)存被分割為一個(gè)個(gè)虛擬頁(yè)，物理內(nèi)存也被分割為一個(gè)個(gè)物理頁(yè)，這兩個(gè)頁(yè)的大小應(yīng)該是一致的，通常是 4KB - 2MB。

舉個(gè)例子，看下圖：

進(jìn)程 1 現(xiàn)在有 8 個(gè)虛擬頁(yè)，其中有 2 個(gè)虛擬頁(yè)緩存在主存中，6 個(gè)還在磁盤上，需要的時(shí)候再讀入主存中；進(jìn)程 2 有 7 個(gè)虛擬頁(yè)，其中 4 個(gè)緩存在主存中，3 個(gè)還在磁盤上。

在 CPU 讀取內(nèi)存數(shù)據(jù)的時(shí)候，給出的是虛擬地址，將一個(gè)虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的任務(wù)我們稱之為地址翻譯。在主存中的查詢表存放了虛擬地址到物理地址的映射關(guān)系，表的內(nèi)容由操作系統(tǒng)維護(hù)。CPU 需要訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)，CPU 上有一個(gè)叫做內(nèi)存管理單元的硬件會(huì)先去查詢真實(shí)的物理地址，然后再到指定的物理地址讀取數(shù)據(jù)。

上面說(shuō)的那個(gè)查詢表，我們稱之為頁(yè)表，虛擬內(nèi)存系統(tǒng)通過(guò)頁(yè)表來(lái)判斷一個(gè)虛擬頁(yè)是否已經(jīng)緩存在了主存中。如果是，頁(yè)表會(huì)負(fù)責(zé)到物理頁(yè)的映射；如果不命中，也就是我們經(jīng)常會(huì)見(jiàn)到的概念缺頁(yè)，對(duì)應(yīng)的英文是 page fault，系統(tǒng)首先判斷這個(gè)虛擬頁(yè)存放在磁盤的哪個(gè)位置，然后在物理內(nèi)存中選擇一個(gè)犧牲頁(yè)，并將虛擬頁(yè)從磁盤復(fù)制到內(nèi)存中，替換這個(gè)犧牲頁(yè)。

在磁盤和內(nèi)存之間傳送頁(yè)的活動(dòng)叫做交換（swapping）或者頁(yè)面調(diào)度（paging）。

下面，簡(jiǎn)單介紹下虛擬內(nèi)存帶來(lái)的好處。

SRAM緩存：表示位于 CPU 和主存之間的 L1、L2 和 L3 高速緩存。

DRAM緩存：表示虛擬內(nèi)存系統(tǒng)的緩存，緩存虛擬頁(yè)到主存中。

物理內(nèi)存訪問(wèn)速度比高速緩存要慢 10 倍左右，而磁盤要比物理內(nèi)存慢大約 100000 倍。所以，DRAM 的緩存不命中比 SRAM 緩存不命中代價(jià)要大得多，因?yàn)?DRAM 緩存一旦不命中，就需要到磁盤加載虛擬頁(yè)。而 SRAM 緩存不命中，通常由 DRAM 的主存來(lái)服務(wù)。而從磁盤的一個(gè)扇區(qū)讀取第一個(gè)字節(jié)的時(shí)間開(kāi)銷比起讀這個(gè)扇區(qū)中連續(xù)的字節(jié)要慢大約 100000 倍。

了解 Kafka 的讀者應(yīng)該知道，消息在磁盤中的順序存儲(chǔ)對(duì)于 Kafka 的性能至關(guān)重要。

結(jié)論就是，IO 的性能主要是由 DRAM 的緩存是否命中決定的。

內(nèi)存映射文件

英文名是?Memory Mapped Files，相信大家也都聽(tīng)過(guò)這個(gè)概念，在許多對(duì) IO 性能要求比較高的 java 應(yīng)用中會(huì)使用到，它是操作系統(tǒng)提供的支持，后面我們?cè)诮榻B NIO Buffer 的時(shí)候會(huì)碰到的?MappedByteBuffer?就是用來(lái)支持這一特性的。

是什么：

我們可以認(rèn)為內(nèi)存映射文件是一類特殊的文件，我們的 Java 程序可以直接從內(nèi)存中讀取到文件的內(nèi)容。它是通過(guò)將整個(gè)文件或文件的部分內(nèi)容映射到內(nèi)存頁(yè)中實(shí)現(xiàn)的，操作系統(tǒng)會(huì)負(fù)責(zé)加載需要的頁(yè)，所以它的速度是非常快的。

優(yōu)勢(shì)：

一旦我們將數(shù)據(jù)寫入到了內(nèi)存映射文件，即使我們的 JVM 掛掉了，操作系統(tǒng)依然會(huì)幫助我們將這部分內(nèi)存數(shù)據(jù)持久化到磁盤上。當(dāng)然了，如果是斷電的話，還是有可能會(huì)丟失數(shù)據(jù)的。

另外，它比較適合于處理大文件，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)只會(huì)在我們需要的頁(yè)不在內(nèi)存中時(shí)才會(huì)去加載頁(yè)數(shù)據(jù)，而用其處理大量的小文件反而可能會(huì)造成頻繁的缺頁(yè)。

另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)就是內(nèi)存共享。我們可以在多個(gè)進(jìn)程中同時(shí)使用同一個(gè)內(nèi)存映射文件，也算是一種進(jìn)程間協(xié)作的方式吧。想像下進(jìn)程間的數(shù)據(jù)通訊平時(shí)我們一般采用 Socket 來(lái)請(qǐng)求，而內(nèi)存共享至少可以帶來(lái) 10 倍以上的性能提升。

我們還沒(méi)有接觸到 NIO 的 Buffer，下面就簡(jiǎn)單地示意一下：

import java.io.RandomAccessFile;

import java.nio.MappedByteBuffer;

import java.nio.channels.FileChannel;

public class MemoryMappedFileInJava {

? ? private static int count = 10485760; //10 MB

? ? public static void main(String[] args) throws Exception {

? ? ? ? RandomAccessFile memoryMappedFile = new RandomAccessFile("largeFile.txt", "rw");

? ? ? ? // 將文件映射到內(nèi)存中，map 方法

? ? ? ? MappedByteBuffer out = memoryMappedFile.getChannel().map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, count);

? ? ? ? // 這一步的寫操作其實(shí)是寫到內(nèi)存中，并不直接操作文件

? ? ? ? for (int i = 0; i < count; i++) {

? ? ? ? ? ? out.put((byte) 'A');

? ? ? ? }

? ? ? ? System.out.println("Writing to Memory Mapped File is completed");

? ? ? ? // 這一步的讀操作讀的是內(nèi)存

? ? ? ? for (int i = 0; i < 10 ; i++) {

? ? ? ? ? ? System.out.print((char) out.get(i));

? ? ? ? }

? ? ? ? System.out.println("Reading from Memory Mapped File is completed");

? ? }

}

我們需要注意的一點(diǎn)就是，用于加載內(nèi)存映射文件的內(nèi)存是堆外內(nèi)存。

分散/聚集 IO

scatter/gather IO，個(gè)人認(rèn)為這個(gè)看上去很酷炫，實(shí)踐中比較難使用到。

分散/聚集 IO（另一種說(shuō)法是?vectored I/O 也就是向量 IO）是一種可以在單次操作中對(duì)多個(gè)緩沖區(qū)進(jìn)行輸入輸出的方法，可以把多個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫到單個(gè)數(shù)據(jù)流，也可以把單個(gè)數(shù)據(jù)流讀到多個(gè)緩沖區(qū)中。

非阻塞 IO

相信讀者在很多地方都看到過(guò)說(shuō) NIO 其實(shí)不是代表 New IO，而是 Non-Blocking IO，我們這里不糾結(jié)這個(gè)。我想之所以會(huì)有這個(gè)說(shuō)法，是因?yàn)樵?Java 1.4 第一次推出 NIO 的時(shí)候，提供了 Non-Blocking IO 的支持。

在理解非阻塞 IO 前，我們首先要明白，它的對(duì)立面?阻塞模式為什么不好。

比如說(shuō) InputStream.read 這個(gè)方法，一旦某個(gè)線程調(diào)用這個(gè)方法，那么就將一直阻塞在這里，直到數(shù)據(jù)傳輸完畢，返回 -1，或者由于其他錯(cuò)誤拋出了異常。

我們?cè)倌?web 服務(wù)器來(lái)說(shuō)，阻塞模式的話，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)來(lái)，我們都需要開(kāi)啟一個(gè)線程來(lái)讀取請(qǐng)求數(shù)據(jù)，然后到后端進(jìn)行處理，處理結(jié)束后將數(shù)據(jù)寫回網(wǎng)絡(luò)連接，這整個(gè)流程需要一個(gè)獨(dú)立的線程來(lái)做這件事。那就意味著，一旦請(qǐng)求數(shù)量多了以后，需要?jiǎng)?chuàng)建大量的線程，大量的線程必然帶來(lái)創(chuàng)建線程、切換線程的開(kāi)銷，更重要的是，要給每個(gè)線程都分配一部分內(nèi)存，會(huì)使得內(nèi)存迅速被消耗殆盡。我們說(shuō)多線程是性能利器，但是這就是過(guò)多的線程導(dǎo)致系統(tǒng)完全消化不了了。

通常，我們可以將 IO 分為兩類：面向數(shù)據(jù)塊（block-oriented）的 IO 和面向流（stream-oriented）的 IO。比如文件的讀寫就是面向數(shù)據(jù)塊的，讀取鍵盤輸入或往網(wǎng)絡(luò)中寫入數(shù)據(jù)就是面向流的。

注意，這節(jié)混著用了流和通道這兩個(gè)詞，提出來(lái)這點(diǎn)是希望不會(huì)對(duì)讀者產(chǎn)生困擾。

面向流的 IO 往往是比較慢的，如網(wǎng)絡(luò)速度比較慢、需要一直等待用戶新的輸入等。

這個(gè)時(shí)候，我們可以用一個(gè)線程來(lái)處理多個(gè)流，讓這個(gè)線程負(fù)責(zé)一直輪詢這些流的狀態(tài)，當(dāng)有的流有數(shù)據(jù)到來(lái)后，進(jìn)行相應(yīng)處理，也可以將數(shù)據(jù)交給其他子線程來(lái)處理，這個(gè)線程繼續(xù)輪詢。

問(wèn)題來(lái)了，不斷地輪詢也會(huì)帶來(lái)資源浪費(fèi)呀，尤其是當(dāng)一個(gè)線程需要輪詢很多的數(shù)據(jù)流的時(shí)候。

現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了一個(gè)叫做?readiness selection?的功能，我們讓操作系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控一個(gè)集合中的所有的通道，當(dāng)有的通道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了以后，就可以直接到這個(gè)通道獲取數(shù)據(jù)。當(dāng)然，操作系統(tǒng)不會(huì)通知我們，但是我們?nèi)?wèn)操作系統(tǒng)的時(shí)候，它會(huì)知道告訴我們通道 N 已經(jīng)準(zhǔn)備好了，而不需要自己去輪詢（后面我們會(huì)看到，還要自己輪詢的 select 和 poll）。

后面我們?cè)诮榻B Java NIO 的時(shí)候會(huì)說(shuō)到 Selector，對(duì)應(yīng)類 java.nio.channels.Selector，這個(gè)就是 java 對(duì) readiness selection 的支持。這樣一來(lái)，我們的一個(gè)線程就可以更加高效地管理多個(gè)通道了。

上面這張圖我想大家也都可能看過(guò)，就是用一個(gè) Selector 來(lái)管理多個(gè) Channel，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)線程管理多個(gè)連接。說(shuō)到底，其實(shí)就是解決了我們前面說(shuō)的阻塞模式下線程創(chuàng)建過(guò)多的問(wèn)題。

在 Java 中，繼承自?SelectableChannel?的子類就是實(shí)現(xiàn)了非阻塞 IO 的，我們可以看到主要有 socket IO 中的 DatagramChannel 和 SocketChannel，而 FileChannel 并沒(méi)有繼承它。所以，文件 IO 是不支持非阻塞模式的。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，POSIX 提供了?select?和?poll?兩種方式。它們兩個(gè)最大的區(qū)別在于持有句柄的數(shù)量上，select 最多只支持到 FD_SETSIZE（一般常見(jiàn)的是 1024），顯然很多場(chǎng)景都會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)量。而 poll 我們想創(chuàng)建多少就創(chuàng)建多少。它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是當(dāng)有任務(wù)完成后，我們只能知道有幾個(gè)任務(wù)完成了，而不知道具體是哪幾個(gè)句柄，所以還需要進(jìn)行一次掃描。

正是由于 select 和 poll 的不足，所以催生了以下幾個(gè)實(shí)現(xiàn)。BSD& OS X 中的 kqueue，Solaris 中的 /dev/poll，還有?Linux 中的 epoll。

Windows 沒(méi)有提供額外的實(shí)現(xiàn)，只能使用 select。

在不同的操作系統(tǒng)上，JDK 分別選擇相應(yīng)的系統(tǒng)支持的非阻塞實(shí)現(xiàn)方式。

異步 IO

我們知道 Java 1.4 引入了 New IO，從 Java 7 開(kāi)始，就不再是 New IO 了，而是 More New IO 來(lái)臨了，我們也稱之為 NIO2。

Java7 在 NIO 上帶來(lái)的最大的變化應(yīng)該就屬引入了 Asynchronous IO（異步 IO）。本來(lái)吧，異步 IO 早就提上日程了，可是大佬們沒(méi)有時(shí)間完成，所以才一直拖到了 java 7 的。廢話不多說(shuō)，簡(jiǎn)單來(lái)看看異步 IO 是什么。

要說(shuō)異步 IO 是什么，當(dāng)然還得從 Non-Blocking IO 沒(méi)有解決的問(wèn)題入手。非阻塞 IO 很好用，它解決了阻塞式 IO 的等待問(wèn)題，但是它的缺點(diǎn)是需要我們?nèi)ポ喸儾拍艿玫浇Y(jié)果。

而異步 IO 可以解決這個(gè)問(wèn)題，線程只需要初始化一下，提供一個(gè)回調(diào)方法，然后就可以干其他的事情了。當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好以后，系統(tǒng)會(huì)負(fù)責(zé)調(diào)用回調(diào)方法。

異步 IO 最主要的特點(diǎn)就是回調(diào)，其實(shí)回調(diào)在我們?nèi)粘５拇a中也是非常常見(jiàn)的。

最簡(jiǎn)單的方法就是設(shè)計(jì)一個(gè)線程池，池中的線程負(fù)責(zé)完成一個(gè)個(gè)阻塞式的操作，一旦一個(gè)操作完成，那么就調(diào)用回調(diào)方法。比如 web 服務(wù)器中，我們前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)不能每來(lái)一個(gè)請(qǐng)求就新開(kāi)一個(gè)線程，我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)線程池，在線程池外用一個(gè)線程來(lái)接收請(qǐng)求，然后將要完成的任務(wù)交給線程池中的線程并提供一個(gè)回調(diào)方法，這樣這個(gè)線程就可以去干其他的事情了，如繼續(xù)處理其他的請(qǐng)求。等任務(wù)完成后，池中的線程就可以調(diào)用回調(diào)方法進(jìn)行通知了。

另外一種方式就是自己不設(shè)計(jì)線程池，讓操作系統(tǒng)幫我們實(shí)現(xiàn)。流程也是基本一樣的，提供給操作系統(tǒng)回調(diào)方法，然后就可以干其他事情了，等操作完成后，操作系統(tǒng)會(huì)負(fù)責(zé)回調(diào)。這種方式的缺點(diǎn)就是依賴于操作系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，不過(guò)也有它的一些優(yōu)勢(shì)。

首先，我們自己設(shè)計(jì)處理任務(wù)的線程池的話，我們需要掌握好線程池的大小，不能太大，也不能太小，這往往需要憑我們的經(jīng)驗(yàn)；其次，讓操作系統(tǒng)來(lái)做這件事情的話，操作系統(tǒng)可以在一些場(chǎng)景中幫助我們優(yōu)化性能，如文件 IO 過(guò)程中幫助更快找到需要的數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)對(duì)異步 IO 的實(shí)現(xiàn)也有很多種方式，主要有以下 3 中：

Linux AIO：由 Linux 內(nèi)核提供支持

POSIX AIO：Linux，Mac OS X（現(xiàn)在該叫 Mac OS 了），BSD，solaris 等都支持，在 Linux 中是通過(guò)?glibc?來(lái)提供支持的。

Windows：提供了一個(gè)叫做?completion ports?的機(jī)制。

這篇文章?asynchronous disk I/O?的作者表示，在類 unix 的幾個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，限制太多，實(shí)現(xiàn)的質(zhì)量太差，還不如自己用線程池進(jìn)行管理異步操作。

而 Windows 系統(tǒng)下提供的異步 IO 的實(shí)現(xiàn)方式有點(diǎn)不一樣。它首先讓線程池中的線程去自旋調(diào)用?GetQueuedCompletionStatus.aspx) 方法，判斷是否就緒。然后，讓任務(wù)跑起來(lái)，但是需要提供特定的參數(shù)來(lái)告訴執(zhí)行任務(wù)的線程，讓線程執(zhí)行完成后將結(jié)果通知到線程池中。一旦任務(wù)完成，操作系統(tǒng)會(huì)將線程池中阻塞在 GetQueuedCompletionStatus 方法的線程喚醒，讓其進(jìn)行后續(xù)的結(jié)果處理。

Windows?智能地喚醒那些執(zhí)行 GetQueuedCompletionStatus 方法的線程，以讓線程池中活躍的線程數(shù)始終保持在合理的水平。這樣就不至于創(chuàng)建太多的線程，降低線程切換的開(kāi)銷。

Java 7 在異步 IO 的實(shí)現(xiàn)上，如果是 Linux 或者其他類 Unix 系統(tǒng)上，是采用自建線程池實(shí)現(xiàn)的，如果是 Windows 系統(tǒng)上，是采用系統(tǒng)提供的 completion ports 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

所以，在非阻塞 IO 和異步 IO 之間，我們應(yīng)該怎么選擇呢？

如果是文件 IO，我們沒(méi)得選，只能選擇異步 IO。

如果是 Socket IO，在類 unix 系統(tǒng)下我們應(yīng)該選擇使用非阻塞 IO，Netty 是基于非阻塞模式的；在 Windows 中我們應(yīng)該使用異步 IO。

當(dāng)然了，Java 的存在就是為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)化，所以，其實(shí)不需要我們選擇，了解這些權(quán)當(dāng)讓自己漲點(diǎn)知識(shí)吧。

總結(jié)

和其他幾篇文章一樣，也沒(méi)什么好總結(jié)的，要說(shuō)的都在文中了，希望讀者能學(xué)到點(diǎn)東西吧。

如果哪里說(shuō)得不對(duì)了，我想也是正常的，我這些年寫的都是 Java，對(duì)于底層了解得愈發(fā)的少了，所以如果讀者發(fā)現(xiàn)有什么不合理的內(nèi)容，非常希望讀者可以提出來(lái)。

Reference

《深入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

《Java NIO》

《Java IO, NIO and NIO.2》