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Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍

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)。

Java AIO


1基本原理


目前为止,Java共支持3种网络编程模型:BIO、NIO、AIO:

  • 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。

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

  • 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。

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:

  • Windows上可以使用iocp了。
  • 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:

  • AsynchronousServerSocketChannel ,对应于bio中的ServerSocket和nio中的ServerSocketChannel,用于server端的网络程序。
  • AsynchronousSocketChannel,对云关于bio中的Socket和nio中的SocketChannel,用于client端的网络程序。
  • 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。

Linux AIO


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。

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:
a.gif

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。

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)。
QQ20160514-0.png
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。

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。
c.gif
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。

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。
QQ20160514-1.png
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。

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。
e.gif
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。

总结


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。

更多资料


更多网络编程资料:http://www.52im.net/forum.php?mod=collection&action=view&ctid=8
一篇提到AIO的大型应用架构实践的文章:http://www.52im.net/thread-304-1-1.html

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