Java I/O 操作及優化建議

developerworks發表於2015-08-10

Java I/O

I/O,即 Input/Output(輸入/輸出) 的簡稱。就 I/O 而言,概念上有 5 種模型:blocking I/O,nonblocking I/O,I/O multiplexing (select and poll),signal driven I/O (SIGIO),asynchronous I/O (the POSIX aio_functions)。不同的作業系統對上述模型支援不同,UNIX 支援 IO 多路複用。不同系統叫法不同,freebsd 裡面叫 kqueue,Linux 叫 epoll。而 Windows2000 的時候就誕生了 IOCP 用以支援 asynchronous I/O。

Java 是一種跨平臺語言,為了支援非同步 I/O,誕生了 NIO,Java1.4 引入的 NIO1.0 是基於 I/O 複用的,它在各個平臺上會選擇不同的複用方式。Linux 用的 epoll,BSD 上用 kqueue,Windows 上是重疊 I/O。

Java I/O 的相關方法如下所述:

  • 同步並阻塞 (I/O 方法):伺服器實現模式為一個連線啟動一個執行緒,每個執行緒親自處理 I/O 並且一直等待 I/O 直到完成,即客戶端有連線請求時伺服器端就需要啟動一個執行緒進行處理。但是如果這個連線不做任何事情就會造成不必要的執行緒開銷,當然可以通過執行緒池機制改善這個缺點。I/O 的侷限是它是面向流的、阻塞式的、序列的一個過程。對每一個客戶端的 Socket 連線 I/O 都需要一個執行緒來處理,而且在此期間,這個執行緒一直被佔用,直到 Socket 關閉。在這期間,TCP 的連線、資料的讀取、資料的返回都是被阻塞的。也就是說這期間大量浪費了 CPU 的時間片和執行緒佔用的記憶體資源。此外,每建立一個 Socket 連線時,同時建立一個新執行緒對該 Socket 進行單獨通訊 (採用阻塞的方式通訊)。這種方式具有很快的響應速度,並且控制起來也很簡單。在連線數較少的時候非常有效,但是如果對每一個連線都產生一個執行緒無疑是對系統資源的一種浪費,如果連線數較多將會出現資源不足的情況;
  • 同步非阻塞 (NIO 方法):伺服器實現模式為一個請求啟動一個執行緒,每個執行緒親自處理 I/O,但是另外的執行緒輪詢檢查是否 I/O 準備完畢,不必等待 I/O 完成,即客戶端傳送的連線請求都會註冊到多路複用器上,多路複用器輪詢到連線有 I/O 請求時才啟動一個執行緒進行處理。NIO 則是面向緩衝區,非阻塞式的,基於選擇器的,用一個執行緒來輪詢監控多個資料傳輸通道,哪個通道準備好了 (即有一組可以處理的資料) 就處理哪個通道。伺服器端儲存一個 Socket 連線列表,然後對這個列表進行輪詢,如果發現某個 Socket 埠上有資料可讀時,則呼叫該 Socket 連線的相應讀操作;如果發現某個 Socket 埠上有資料可寫時,則呼叫該 Socket 連線的相應寫操作;如果某個埠的 Socket 連線已經中斷,則呼叫相應的析構方法關閉該埠。這樣能充分利用伺服器資源,效率得到大幅度提高;
  • 非同步非阻塞 (AIO 方法,JDK7 釋出):伺服器實現模式為一個有效請求啟動一個執行緒,客戶端的 I/O 請求都是由作業系統先完成了再通知伺服器應用去啟動執行緒進行處理,每個執行緒不必親自處理 I/O,而是委派作業系統來處理,並且也不需要等待 I/O 完成,如果完成了作業系統會另行通知的。該模式採用了 Linux 的 epoll 模型。

在連線數不多的情況下,傳統 I/O 模式編寫較為容易,使用上也較為簡單。但是隨著連線數的不斷增多,傳統 I/O 處理每個連線都需要消耗一個執行緒,而程式的效率,當執行緒數不多時是隨著執行緒數的增加而增加,但是到一定的數量之後,是隨著執行緒數的增加而減少的。所以傳統阻塞式 I/O 的瓶頸在於不能處理過多的連線。非阻塞式 I/O 出現的目的就是為了解決這個瓶頸。非阻塞 IO 處理連線的執行緒數和連線數沒有聯絡,例如系統處理 10000 個連線,非阻塞 I/O 不需要啟動 10000 個執行緒,你可以用 1000 個,也可以用 2000 個執行緒來處理。因為非阻塞 IO 處理連線是非同步的,當某個連線傳送請求到伺服器,伺服器把這個連線請求當作一個請求“事件”,並把這個“事件”分配給相應的函式處理。我們可以把這個處理函式放到執行緒中去執行,執行完就把執行緒歸還,這樣一個執行緒就可以非同步的處理多個事件。而阻塞式 I/O 的執行緒的大部分時間都被浪費在等待請求上了。

Java NIO

Java.nio 包是 Java 在 1.4 版本之後新增加的包,專門用來提高 I/O 操作的效率。

表 1 所示是 I/O 與 NIO 之間的對比內容。

表 1. I/O VS NIO
I/O NIO
面向流 面向緩衝
阻塞 IO 非阻塞 IO
選擇器

NIO 是基於塊 (Block) 的,它以塊為基本單位處理資料。在 NIO 中,最為重要的兩個元件是緩衝 Buffer 和通道 Channel。緩衝是一塊連續的記憶體塊,是 NIO 讀寫資料的中轉地。通道標識緩衝資料的源頭或者目的地,它用於向緩衝讀取或者寫入資料,是訪問緩衝的介面。Channel 是一個雙向通道,即可讀,也可寫。Stream 是單向的。應用程式不能直接對 Channel 進行讀寫操作,而必須通過 Buffer 來進行,即 Channel 是通過 Buffer 來讀寫資料的。

使用 Buffer 讀寫資料一般遵循以下四個步驟:

  1. 寫入資料到 Buffer;
  2. 呼叫 flip() 方法;
  3. 從 Buffer 中讀取資料;
  4. 呼叫 clear() 方法或者 compact() 方法。

當向 Buffer 寫入資料時,Buffer 會記錄下寫了多少資料。一旦要讀取資料,需要通過 flip() 方法將 Buffer 從寫模式切換到讀模式。在讀模式下,可以讀取之前寫入到 Buffer 的所有資料。

一旦讀完了所有的資料,就需要清空緩衝區,讓它可以再次被寫入。有兩種方式能清空緩衝區:呼叫 clear() 或 compact() 方法。clear() 方法會清空整個緩衝區。compact() 方法只會清除已經讀過的資料。任何未讀的資料都被移到緩衝區的起始處,新寫入的資料將放到緩衝區未讀資料的後面。

Buffer 有多種型別,不同的 Buffer 提供不同的方式操作 Buffer 中的資料。

圖 1 Buffer 介面層次圖

Java I/O 操作及優化建議

Buffer 寫資料有兩種情況:

  1. 從 Channel 寫到 Buffer,如例子中 Channel 從檔案中讀取資料,寫到 Channel;
  2. 直接呼叫 put 方法,往裡面寫資料。

從 Buffer 中讀取資料有兩種方式:

  1. 從 Buffer 讀取資料到 Channel;
  2. 使用 get() 方法從 Buffer 中讀取資料。

Buffer 的 rewin 方法將 position 設回 0,所以你可以重讀 Buffer 中的所有資料。limit 保持不變,仍然表示能從 Buffer 中讀取多少個元素(byte、char 等)。

clear() 和 compact() 方法

一旦讀完 Buffer 中的資料,需要讓 Buffer 準備好再次被寫入。可以通過 clear() 或 compact() 方法來完成。

如果呼叫的是 clear() 方法,position 將被設回 0,limit 被設定成 capacity 的值。換句話說,Buffer 被清空了。Buffer 中的資料並未清除,只是這些標記告訴我們可以從哪裡開始往 Buffer 裡寫資料。

如果 Buffer 中有一些未讀的資料,呼叫 clear() 方法,資料將“被遺忘”,意味著不再有任何標記會告訴你哪些資料被讀過,哪些還沒有。如果 Buffer 中仍有未讀的資料,且後續還需要這些資料,但是此時想要先寫些資料,那麼使用 compact() 方法。compact() 方法將所有未讀的資料拷貝到 Buffer 起始處。然後將 position 設到最後一個未讀元素正後面。limit 屬性依然像 clear() 方法一樣,設定成 capacity。現在 Buffer 準備好寫資料了,但是不會覆蓋未讀的資料。

Buffer 引數

Buffer 有 3 個重要的引數:位置 (position)、容量 (capacity) 和上限 (limit)。

capacity 是指 Buffer 的大小,在 Buffer 建立的時候已經確定。

limit 當 Buffer 處於寫模式,指還可以寫入多少資料;處於讀模式,指還有多少資料可以讀。

position 當 Buffer 處於寫模式,指下一個寫資料的位置;處於讀模式,當前將要讀取的資料的位置。每讀寫一個資料,position+1,也就是 limit 和 position 在 Buffer 的讀/寫時的含義不一樣。當呼叫 Buffer 的 flip 方法,由寫模式變為讀模式時,limit(讀)=position(寫),position(讀) =0。

散射&聚集

NIO 提供了處理結構化資料的方法,稱之為散射 (Scattering) 和聚集 (Gathering)。散射是指將資料讀入一組 Buffer 中,而不僅僅是一個。聚集與之相反,指將資料寫入一組 Buffer 中。散射和聚集的基本使用方法和對單個 Buffer 操作時的使用方法相當類似。在散射讀取中,通道依次填充每個緩衝區。填滿一個緩衝區後,它就開始填充下一個,在某種意義上,緩衝區陣列就像一個大緩衝區。在已知檔案具體結構的情況下,可以構造若干個符合檔案結構的 Buffer,使得各個 Buffer 的大小恰好符合檔案各段結構的大小。此時,通過散射讀的方式可以一次將內容裝配到各個對應的 Buffer 中,從而簡化操作。如果需要建立指定格式的檔案,只要先構造好大小合適的 Buffer 物件,使用聚集寫的方式,便可以很快地建立出檔案。清單 1 以 FileChannel 為例,展示如何使用散射和聚集讀寫結構化檔案。

清單 1. 使用散射和聚集讀寫結構化檔案
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class NIOScatteringandGathering {
 public void createFiles(String TPATH){
 try {
 ByteBuffer bookBuf = ByteBuffer.wrap("java 效能優化技巧".getBytes("utf-8"));
ByteBuffer autBuf = ByteBuffer.wrap("test".getBytes("utf-8"));
int booklen = bookBuf.limit();
int autlen = autBuf.limit();
ByteBuffer[] bufs = new ByteBuffer[]{bookBuf,autBuf};
File file = new File(TPATH);
if(!file.exists()){
try {
file.createNewFile();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
try {
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(file);
FileChannel fc = fos.getChannel();
fc.write(bufs);
fos.close();
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

ByteBuffer b1 = ByteBuffer.allocate(booklen);
ByteBuffer b2 = ByteBuffer.allocate(autlen);
ByteBuffer[] bufs1 = new ByteBuffer[]{b1,b2};
File file1 = new File(TPATH);
try {
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
FileChannel fc = fis.getChannel();
fc.read(bufs1);
String bookname = new String(bufs1[0].array(),"utf-8");
String autname = new String(bufs1[1].array(),"utf-8");
System.out.println(bookname+" "+autname);
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

} catch (UnsupportedEncodingException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

 }

 public static void main(String[] args){
 NIOScatteringandGathering nio = new NIOScatteringandGathering();
 nio.createFiles("C://1.TXT");
 }
}

輸出如下清單 2 所示。

清單 2. 執行結果
java 效能優化技巧 test

清單 3 所示程式碼對傳統 I/O、基於 Byte 的 NIO、基於記憶體對映的 NIO 三種方式進行了效能上的對比,使用一個有 400 萬資料的檔案的讀、寫操作耗時作為評測依據。

清單 3. I/O 的三種方式對比試驗
import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.BufferedOutputStream;
import java.io.DataInputStream;
import java.io.DataOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.RandomAccessFile;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.IntBuffer;
import java.nio.MappedByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

public class NIOComparator {
 public void IOMethod(String TPATH){
 long start = System.currentTimeMillis();
 try {
DataOutputStream dos = new DataOutputStream(
 new BufferedOutputStream(new FileOutputStream(new File(TPATH))));
for(int i=0;i<4000000;i++){
dos.writeInt(i);//寫入 4000000 個整數
}
if(dos!=null){
dos.close();
}
 } catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
 } catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
 }
 long end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end - start);
 start = System.currentTimeMillis();
 try {
DataInputStream dis = new DataInputStream(
 new BufferedInputStream(new FileInputStream(new File(TPATH))));
for(int i=0;i<4000000;i++){
dis.readInt();
}
if(dis!=null){
dis.close();
}
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end - start);
 }

 public void ByteMethod(String TPATH){
 long start = System.currentTimeMillis();
 try {
FileOutputStream fout = new FileOutputStream(new File(TPATH));
FileChannel fc = fout.getChannel();//得到檔案通道
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4000000*4);//分配 Buffer
for(int i=0;i<4000000;i++){
byteBuffer.put(int2byte(i));//將整數轉為陣列
}
byteBuffer.flip();//準備寫
fc.write(byteBuffer);
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
 long end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end - start);

 start = System.currentTimeMillis();
 FileInputStream fin;
try {
fin = new FileInputStream(new File(TPATH));
FileChannel fc = fin.getChannel();//取得檔案通道
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(4000000*4);//分配 Buffer
fc.read(byteBuffer);//讀取檔案資料
fc.close();
byteBuffer.flip();//準備讀取資料
while(byteBuffer.hasRemaining()){
byte2int(byteBuffer.get(),byteBuffer.get(),byteBuffer.get(),byteBuffer.get());//將 byte 轉為整數
}
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end - start);
 }

 public void mapMethod(String TPATH){
 long start = System.currentTimeMillis();
 //將檔案直接對映到記憶體的方法
 try {
FileChannel fc = new RandomAccessFile(TPATH,"rw").getChannel();
IntBuffer ib = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_WRITE, 0, 4000000*4).asIntBuffer();
for(int i=0;i<4000000;i++){
ib.put(i);
}
if(fc!=null){
fc.close();
}
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
 long end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end - start);

 start = System.currentTimeMillis();
 try {
FileChannel fc = new FileInputStream(TPATH).getChannel();
MappedByteBuffer lib = fc.map(FileChannel.MapMode.READ_ONLY, 0, fc.size());
lib.asIntBuffer();
while(lib.hasRemaining()){
lib.get();
}
if(fc!=null){
fc.close();
}
} catch (FileNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end - start);

 }

 public static byte[] int2byte(int res){
 byte[] targets = new byte[4];
 targets[3] = (byte)(res & 0xff);//最低位
 targets[2] = (byte)((res>>8)&0xff);//次低位
 targets[1] = (byte)((res>>16)&0xff);//次高位
 targets[0] = (byte)((res>>>24));//最高位,無符號右移
 return targets;
 }

 public static int byte2int(byte b1,byte b2,byte b3,byte b4){
 return ((b1 & 0xff)<<24)|((b2 & 0xff)<<16)|((b3 & 0xff)<<8)|(b4 & 0xff);
 }

 public static void main(String[] args){
 NIOComparator nio = new NIOComparator();
 nio.IOMethod("c://1.txt");
 nio.ByteMethod("c://2.txt");
 nio.ByteMethod("c://3.txt");
 }
}

清單 3 執行輸出如清單 4 所示。

清單 4. 執行輸出
1139
906
296
157
234
125

除上述描述及清單 3 所示程式碼以外,NIO 的 Buffer 還提供了一個可以直接訪問系統實體記憶體的類 DirectBuffer。DirectBuffer 繼承自 ByteBuffer,但和普通的 ByteBuffer 不同。普通的 ByteBuffer 仍然在 JVM 堆上分配空間,其最大記憶體受到最大堆的限制,而 DirectBuffer 直接分配在實體記憶體上,並不佔用堆空間。在對普通的 ByteBuffer 訪問時,系統總是會使用一個“核心緩衝區”進行間接的操作。而 DirectrBuffer 所處的位置,相當於這個“核心緩衝區”。因此,使用 DirectBuffer 是一種更加接近系統底層的方法,所以,它的速度比普通的 ByteBuffer 更快。DirectBuffer 相對於 ByteBuffer 而言,讀寫訪問速度快很多,但是建立和銷燬 DirectrBuffer 的花費卻比 ByteBuffer 高。DirectBuffer 與 ByteBuffer 相比較的程式碼如清單 5 所示。

清單 5. DirectBuffer VS ByteBuffer
import java.nio.ByteBuffer;

public class DirectBuffervsByteBuffer {
 public void DirectBufferPerform(){
 long start = System.currentTimeMillis();
 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(500);//分配 DirectBuffer
 for(int i=0;i<100000;i++){
 for(int j=0;j<99;j++){
 bb.putInt(j);
 }
 bb.flip();
 for(int j=0;j<99;j++){
 bb.getInt(j);
 }
 }
 bb.clear();
 long end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end-start);
 start = System.currentTimeMillis();
 for(int i=0;i<20000;i++){
 ByteBuffer b = ByteBuffer.allocateDirect(10000);//建立 DirectBuffer
 }
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end-start);
 }

 public void ByteBufferPerform(){
 long start = System.currentTimeMillis();
 ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocate(500);//分配 DirectBuffer
 for(int i=0;i<100000;i++){
 for(int j=0;j<99;j++){
 bb.putInt(j);
 }
 bb.flip();
 for(int j=0;j<99;j++){
 bb.getInt(j);
 }
 }
 bb.clear();
 long end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end-start);
 start = System.currentTimeMillis();
 for(int i=0;i<20000;i++){
 ByteBuffer b = ByteBuffer.allocate(10000);//建立 ByteBuffer
 }
 end = System.currentTimeMillis();
 System.out.println(end-start);
 }

 public static void main(String[] args){
 DirectBuffervsByteBuffer db = new DirectBuffervsByteBuffer();
 db.ByteBufferPerform();
 db.DirectBufferPerform();
 }
}

執行輸出如清單 6 所示。

清單 6. 執行輸出
920
110
531
390

由清單 6 可知,頻繁建立和銷燬 DirectBuffer 的代價遠遠大於在堆上分配記憶體空間。使用引數-XX:MaxDirectMemorySize=200M –Xmx200M 在 VM Arguments 裡面配置最大 DirectBuffer 和最大堆空間,程式碼中分別請求了 200M 的空間,如果設定的堆空間過小,例如設定 1M,會丟擲錯誤如清單 7 所示。

清單 7. 執行錯誤
Error occurred during initialization of VM
Too small initial heap for new size specified

DirectBuffer 的資訊不會列印在 GC 裡面,因為 GC 只記錄了堆空間的記憶體回收。可以看到,由於 ByteBuffer 在堆上分配空間,因此其 GC 陣列相對非常頻繁,在需要頻繁建立 Buffer 的場合,由於建立和銷燬 DirectBuffer 的程式碼比較高昂,不宜使用 DirectBuffer。但是如果能將 DirectBuffer 進行復用,可以大幅改善系統效能。清單 8 是一段對 DirectBuffer 進行監控程式碼。

清單 8. 對 DirectBuffer 監控程式碼
import java.lang.reflect.Field;

public class monDirectBuffer {

public static void main(String[] args){
try {
Class c = Class.forName("java.nio.Bits");//通過反射取得私有資料
Field maxMemory = c.getDeclaredField("maxMemory");
maxMemory.setAccessible(true);
Field reservedMemory = c.getDeclaredField("reservedMemory");
reservedMemory.setAccessible(true);
synchronized(c){
Long maxMemoryValue = (Long)maxMemory.get(null);
Long reservedMemoryValue = (Long)reservedMemory.get(null);
System.out.println("maxMemoryValue="+maxMemoryValue);
System.out.println("reservedMemoryValue="+reservedMemoryValue);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (SecurityException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (NoSuchFieldException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IllegalArgumentException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}

}
}

執行輸出如清單 9 所示。

清單 9. 執行輸出
maxMemoryValue=67108864
reservedMemoryValue=0

由於 NIO 使用起來較為困難,所以許多公司推出了自己封裝 JDK NIO 的框架,例如 Apache 的 Mina,JBoss 的 Netty,Sun 的 Grizzly 等等,這些框架都直接封裝了傳輸層的 TCP 或 UDP 協議,其中 Netty 只是一個 NIO 框架,它不需要 Web 容器的額外支援,也就是說不限定 Web 容器。

Java AIO

AIO 相關的類和介面:

  • java.nio.channels.AsynchronousChannel:標記一個 Channel 支援非同步 IO 操作;
  • java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel:ServerSocket 的 AIO 版本,建立 TCP 服務端,繫結地址,監聽埠等;
  • java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel:面向流的非同步 Socket Channel,表示一個連線;
  • java.nio.channels.AsynchronousChannelGroup:非同步 Channel 的分組管理,目的是為了資源共享。一個 AsynchronousChannelGroup 繫結一個執行緒池,這個執行緒池執行兩個任務:處理 IO 事件和派發 CompletionHandler。AsynchronousServerSocketChannel 建立的時候可以傳入一個 AsynchronousChannelGroup,那麼通過 AsynchronousServerSocketChannel 建立的 AsynchronousSocketChannel 將同屬於一個組,共享資源;
  • java.nio.channels.CompletionHandler:非同步 IO 操作結果的回撥介面,用於定義在 IO 操作完成後所作的回撥工作。AIO 的 API 允許兩種方式來處理非同步操作的結果:返回的 Future 模式或者註冊 CompletionHandler,推薦用 CompletionHandler 的方式,這些 handler 的呼叫是由 AsynchronousChannelGroup 的執行緒池派發的。這裡執行緒池的大小是效能的關鍵因素。

這裡舉一個程式範例,簡單介紹一下 AIO 如何運作。

清單 10. 服務端程式
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;

public class SimpleServer {
public SimpleServer(int port) throws IOException { 
final AsynchronousServerSocketChannel listener = 
 AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(port));
//監聽訊息,收到後啟動 Handle 處理模組
listener.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
public void completed(AsynchronousSocketChannel ch, Void att) { 
listener.accept(null, this);// 接受下一個連線 
handle(ch);// 處理當前連線 
}

@Override
public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
// TODO Auto-generated method stub

} 

});
}

public void handle(AsynchronousSocketChannel ch) { 
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(32);//開一個 Buffer 
try { 
 ch.read(byteBuffer).get();//讀取輸入 
} catch (InterruptedException e) { 
 // TODO Auto-generated catch block 
 e.printStackTrace(); 
} catch (ExecutionException e) { 
 // TODO Auto-generated catch block 
 e.printStackTrace(); 
} 
byteBuffer.flip(); 
System.out.println(byteBuffer.get()); 
// Do something 
} 

}
清單 11. 客戶端程式
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;

public class SimpleClientClass {
private AsynchronousSocketChannel client; 
public SimpleClientClass(String host, int port) throws IOException, 
                                    InterruptedException, ExecutionException { 
 this.client = AsynchronousSocketChannel.open(); 
 Future<?> future = client.connect(new InetSocketAddress(host, port)); 
 future.get(); 
} 

public void write(byte b) { 
 ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(32);
 System.out.println("byteBuffer="+byteBuffer);
 byteBuffer.put(b);//向 buffer 寫入讀取到的字元 
 byteBuffer.flip();
 System.out.println("byteBuffer="+byteBuffer);
 client.write(byteBuffer); 
} 

}
清單 12.Main 函式
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.ExecutionException;

import org.junit.Test;

public class AIODemoTest {

@Test
public void testServer() throws IOException, InterruptedException { 
 SimpleServer server = new SimpleServer(9021); 
 Thread.sleep(10000);//由於是非同步操作,所以睡眠一定時間,以免程式很快結束
} 

@Test 
public void testClient() throws IOException, InterruptedException, ExecutionException { 
SimpleClientClass client = new SimpleClientClass("localhost", 9021); 
 client.write((byte) 11); 
}

public static void main(String[] args){
AIODemoTest demoTest = new AIODemoTest();
try {
demoTest.testServer();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
try {
demoTest.testClient();
} catch (IOException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} catch (ExecutionException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}

}

後續會專門出文章具體深入介紹 AIO 的原始碼、設計理念、設計模式等等。

結束語

I/O 與 NIO 一個比較重要的區別是我們使用 I/O 的時候往往會引入多執行緒,每個連線使用一個單獨的執行緒,而 NIO 則是使用單執行緒或者只使用少量的多執行緒,每個連線共用一個執行緒。而由於 NIO 的非阻塞需要一直輪詢,比較消耗系統資源,所以非同步非阻塞模式 AIO 就誕生了。本文對 I/O、NIO、AIO 等三種輸入輸出操作方式進行一一介紹,力求通過簡單的描述和例項讓讀者能夠掌握基本的操作、優化方法。

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