本文將介紹非阻塞 IO 和非同步 IO,也就是大家耳熟能詳的 NIO 和 AIO。很多初學者可能分不清楚非同步和非阻塞的區別,只是在各種場合能聽到非同步非阻塞這個詞。
本文會先介紹並演示阻塞模式,然後引入非阻塞模式來對阻塞模式進行優化,最後再介紹 JDK7 引入的非同步 IO,由於網上關於非同步 IO 的介紹相對較少,所以這部分內容我會介紹得具體一些。
希望看完本文,讀者可以對非阻塞 IO 和非同步 IO 的迷霧看得更清晰些,或者為初學者解開一絲絲疑惑也是好的。
阻塞模式 IO
我們已經介紹過使用 Java NIO 包組成一個簡單的客戶端-服務端網路通訊所需要的 ServerSocketChannel、SocketChannel 和 Buffer,我們這裡整合一下它們,給出一個完整的可執行的例子:
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
ServerSocketChannel serverSocketChannel = ServerSocketChannel.open();
// 監聽 8080 埠進來的 TCP 連結
serverSocketChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
while (true) {
// 這裡會阻塞,直到有一個請求的連線進來
SocketChannel socketChannel = serverSocketChannel.accept();
// 開啟一個新的執行緒來處理這個請求,然後在 while 迴圈中繼續監聽 8080 埠
SocketHandler handler = new SocketHandler(socketChannel);
new Thread(handler).start();
}
}
}
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這裡看一下新的執行緒需要做什麼,SocketHandler:
public class SocketHandler implements Runnable {
private SocketChannel socketChannel;
public SocketHandler(SocketChannel socketChannel) {
this.socketChannel = socketChannel;
}
@Override
public void run() {
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
try {
// 將請求資料讀入 Buffer 中
int num;
while ((num = socketChannel.read(buffer)) > 0) {
// 讀取 Buffer 內容之前先 flip 一下
buffer.flip();
// 提取 Buffer 中的資料
byte[] bytes = new byte[num];
buffer.get(bytes);
String re = new String(bytes, "UTF-8");
System.out.println("收到請求:" + re);
// 迴應客戶端
ByteBuffer writeBuffer = ByteBuffer.wrap(("我已經收到你的請求,你的請求內容是:" + re).getBytes());
socketChannel.write(writeBuffer);
buffer.clear();
}
} catch (IOException e) {
IOUtils.closeQuietly(socketChannel);
}
}
}
複製程式碼
最後,貼一下客戶端 SocketChannel 的使用,客戶端比較簡單:
public class SocketChannelTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();
socketChannel.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
// 傳送請求
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("1234567890".getBytes());
socketChannel.write(buffer);
// 讀取響應
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num;
if ((num = socketChannel.read(readBuffer)) > 0) {
readBuffer.flip();
byte[] re = new byte[num];
readBuffer.get(re);
String result = new String(re, "UTF-8");
System.out.println("返回值: " + result);
}
}
}
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上面介紹的阻塞模式的程式碼應該很好理解:來一個新的連線,我們就新開一個執行緒來處理這個連線,之後的操作全部由那個執行緒來完成。
那麼,這個模式下的效能瓶頸在哪裡呢?
- 首先,每次來一個連線都開一個新的執行緒這肯定是不合適的。當活躍連線數在幾十幾百的時候當然是可以這樣做的,但如果活躍連線數是幾萬幾十萬的時候,這麼多執行緒明顯就不行了。每個執行緒都需要一部分記憶體,記憶體會被迅速消耗,同時,執行緒切換的開銷非常大。
- 其次,阻塞操作在這裡也是一個問題。首先,accept() 是一個阻塞操作,當 accept() 返回的時候,代表有一個連線可以使用了,我們這裡是馬上就新建執行緒來處理這個 SocketChannel 了,但是,但是這裡不代表對方就將資料傳輸過來了。所以,SocketChannel#read 方法將阻塞,等待資料,明顯這個等待是不值得的。同理,write 方法也需要等待通道可寫才能執行寫入操作,這邊的阻塞等待也是不值得的。
非阻塞 IO
說完了阻塞模式的使用及其缺點以後,我們這裡就可以介紹非阻塞 IO 了。
非阻塞 IO 的核心在於使用一個 Selector 來管理多個通道,可以是 SocketChannel,也可以是 ServerSocketChannel,將各個通道註冊到 Selector 上,指定監聽的事件。
之後可以只用一個執行緒來輪詢這個 Selector,看看上面是否有通道是準備好的,當通道準備好可讀或可寫,然後才去開始真正的讀寫,這樣速度就很快了。我們就完全沒有必要給每個通道都起一個執行緒。
NIO 中 Selector 是對底層作業系統實現的一個抽象,管理通道狀態其實都是底層系統實現的,這裡簡單介紹下在不同系統下的實現。
select:上世紀 80 年代就實現了,它支援註冊 FD_SETSIZE(1024) 個 socket,在那個年代肯定是夠用的,不過現在嘛,肯定是不行了。
poll:1997 年,出現了 poll 作為 select 的替代者,最大的區別就是,poll 不再限制 socket 數量。
select 和 poll 都有一個共同的問題,那就是它們都只會告訴你有幾個通道準備好了,但是不會告訴你具體是哪幾個通道。所以,一旦知道有通道準備好以後,自己還是需要進行一次掃描,顯然這個不太好,通道少的時候還行,一旦通道的數量是幾十萬個以上的時候,掃描一次的時間都很可觀了,時間複雜度 O(n)。所以,後來才催生了以下實現。
epoll:2002 年隨 Linux 核心 2.5.44 釋出,epoll 能直接返回具體的準備好的通道,時間複雜度 O(1)。
除了 Linux 中的 epoll,2000 年 FreeBSD 出現了 Kqueue,還有就是,Solaris 中有 /dev/poll。
前面說了那麼多實現,但是沒有出現 Windows,Windows 平臺的非阻塞 IO 使用 select,我們也不必覺得 Windows 很落後,在 Windows 中 IOCP 提供的非同步 IO 是比較強大的。
我們回到 Selector,畢竟 JVM 就是這麼一個遮蔽底層實現的平臺,我們面向 Selector 程式設計就可以了。
之前在介紹 Selector 的時候已經瞭解過了它的基本用法,這邊來一個可執行的例項程式碼,大家不妨看看:
public class SelectorServer {
public static void main(String[] args) throws IOException {
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel server = ServerSocketChannel.open();
server.socket().bind(new InetSocketAddress(8080));
// 將其註冊到 Selector 中,監聽 OP_ACCEPT 事件
server.configureBlocking(false);
server.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
int readyChannels = selector.select();
if (readyChannels == 0) {
continue;
}
Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
// 遍歷
Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
SelectionKey key = iterator.next();
iterator.remove();
if (key.isAcceptable()) {
// 有已經接受的新的到服務端的連線
SocketChannel socketChannel = server.accept();
// 有新的連線並不代表這個通道就有資料,
// 這裡將這個新的 SocketChannel 註冊到 Selector,監聽 OP_READ 事件,等待資料
socketChannel.configureBlocking(false);
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
} else if (key.isReadable()) {
// 有資料可讀
// 上面一個 if 分支中註冊了監聽 OP_READ 事件的 SocketChannel
SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();
ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int num = socketChannel.read(readBuffer);
if (num > 0) {
// 處理進來的資料...
System.out.println("收到資料:" + new String(readBuffer.array()).trim());
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("返回給客戶端的資料...".getBytes());
socketChannel.write(buffer);
} else if (num == -1) {
// -1 代表連線已經關閉
socketChannel.close();
}
}
}
}
}
}
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至於客戶端,大家可以繼續使用上一節介紹阻塞模式時的客戶端進行測試。
NIO.2 非同步 IO
More New IO,或稱 NIO.2,隨 JDK 1.7 釋出,包括了引入非同步 IO 介面和 Paths 等檔案訪問介面。
非同步這個詞,我想對於絕大多數開發者來說都很熟悉,很多場景下我們都會使用非同步。
通常,我們會有一個執行緒池用於執行非同步任務,提交任務的執行緒將任務提交到執行緒池就可以立馬返回,不必等到任務真正完成。如果想要知道任務的執行結果,通常是通過傳遞一個回撥函式的方式,任務結束後去呼叫這個函式。
同樣的原理,Java 中的非同步 IO 也是一樣的,都是由一個執行緒池來負責執行任務,然後使用回撥或自己去查詢結果。
大部分開發者都知道為什麼要這麼設計了,這裡再囉嗦一下。非同步 IO 主要是為了控制執行緒數量,減少過多的執行緒帶來的記憶體消耗和 CPU 線上程排程上的開銷。
在 Unix/Linux 等系統中,JDK 使用了併發包中的執行緒池來管理任務,具體可以檢視 AsynchronousChannelGroup 的原始碼。
在 Windows 作業系統中,提供了一個叫做 I/O Completion Ports 的方案,通常簡稱為 IOCP,作業系統負責管理執行緒池,其效能非常優異,所以在 Windows 中 JDK 直接採用了 IOCP 的支援,使用系統支援,把更多的操作資訊暴露給作業系統,也使得作業系統能夠對我們的 IO 進行一定程度的優化。
在 Linux 中其實也是有非同步 IO 系統實現的,但是限制比較多,效能也一般,所以 JDK 採用了自建執行緒池的方式。
本文還是以實用為主,想要了解更多資訊請自行查詢其他資料,下面對 Java 非同步 IO 進行實踐性的介紹。
總共有三個類需要我們關注,分別是 AsynchronousSocketChannel,AsynchronousServerSocketChannel 和 AsynchronousFileChannel,只不過是在之前介紹的 FileChannel、SocketChannel 和 ServerSocketChannel 的類名上加了個字首 Asynchronous。
Java 非同步 IO 提供了兩種使用方式,分別是返回 Future 例項和使用回撥函式。
1、返回 Future 例項
返回 java.util.concurrent.Future 例項的方式我們應該很熟悉,JDK 執行緒池就是這麼使用的。Future 介面的幾個方法語義在這裡也是通用的,這裡先做簡單介紹。
future.isDone();
判斷操作是否已經完成,包括了正常完成、異常丟擲、取消
future.cancel(true);
取消操作,方式是中斷。引數 true 說的是,即使這個任務正在執行,也會進行中斷。
future.isCancelled();
是否被取消,只有在任務正常結束之前被取消,這個方法才會返回 true
future.get();
這是我們的老朋友,獲取執行結果,阻塞。
future.get(10, TimeUnit.SECONDS);
如果上面的 get() 方法的阻塞你不滿意,那就設定個超時時間。
2、提供 CompletionHandler 回撥函式
java.nio.channels.CompletionHandler 介面定義:
public interface CompletionHandler<V,A> {
void completed(V result, A attachment);
void failed(Throwable exc, A attachment);
}
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注意,引數上有個 attachment,雖然不常用,我們可以在各個支援的方法中傳遞這個引數值
AsynchronousServerSocketChannel listener = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(null);
// accept 方法的第一個引數可以傳遞 attachment
listener.accept(attachment, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
public void completed(
AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) {
//
}
public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
//
}
});
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AsynchronousFileChannel
網上關於 Non-Blocking IO 的介紹文章很多,但是 Asynchronous IO 的文章相對就少得多了,所以我這邊會多介紹一些相關內容。
首先,我們就來關注非同步的檔案 IO,前面我們說了,檔案 IO 在所有的作業系統中都不支援非阻塞模式,但是我們可以對檔案 IO 採用非同步的方式來提高效能。
下面,我會介紹 AsynchronousFileChannel 裡面的一些重要的介面,都很簡單,讀者要是覺得無趣,直接滑到下一個標題就可以了。
例項化:
AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("/Users/hongjie/test.txt"));
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一旦例項化完成,我們就可以著手準備將資料讀入到 Buffer 中:
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
Future<Integer> result = channel.read(buffer, 0);
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非同步檔案通道的讀操作和寫操作都需要提供一個檔案的開始位置,檔案開始位置為 0
除了使用返回 Future 例項的方式,也可以採用回撥函式進行操作,介面如下:
public abstract <A> void read(ByteBuffer dst,
long position,
A attachment,
CompletionHandler<Integer,? super A> handler);
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順便也貼一下寫操作的兩個版本的介面:
public abstract Future<Integer> write(ByteBuffer src, long position);
public abstract <A> void write(ByteBuffer src,
long position,
A attachment,
CompletionHandler<Integer,? super A> handler);
複製程式碼
我們可以看到,AIO 的讀寫主要也還是與 Buffer 打交道,這個與 NIO 是一脈相承的。
另外,還提供了用於將記憶體中的資料刷入到磁碟的方法:
public abstract void force(boolean metaData) throws IOException;
複製程式碼
因為我們對檔案的寫操作,作業系統並不會直接針對檔案操作,系統會快取,然後週期性地刷入到磁碟。如果希望將資料及時寫入到磁碟中,以免斷電引發部分資料丟失,可以呼叫此方法。引數如果設定為 true,意味著同時也將檔案屬性資訊更新到磁碟。
還有,還提供了對檔案的鎖定功能,我們可以鎖定檔案的部分資料,這樣可以進行排他性的操作。
public abstract Future<FileLock> lock(long position, long size, boolean shared);
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position 是要鎖定內容的開始位置,size 指示了要鎖定的區域大小,shared 指示需要的是共享鎖還是排他鎖
當然,也可以使用回撥函式的版本:
public abstract <A> void lock(long position,
long size,
boolean shared,
A attachment,
CompletionHandler<FileLock,? super A> handler);
複製程式碼
檔案鎖定功能上還提供了 tryLock 方法,此方法會快速返回結果:
public abstract FileLock tryLock(long position, long size, boolean shared)
throws IOException;
複製程式碼
這個方法很簡單,就是嘗試去獲取鎖,如果該區域已被其他執行緒或其他應用鎖住,那麼立刻返回 null,否則返回 FileLock 物件。
AsynchronousFileChannel 操作大體上也就以上介紹的這些介面,還是比較簡單的,這裡就少一些廢話早點結束好了。
AsynchronousServerSocketChannel
這個類對應的是非阻塞 IO 的 ServerSocketChannel,大家可以類比下使用方式。
我們就廢話少說,用程式碼說事吧:
package com.javadoop.aio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.SocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
public class Server {
public static void main(String[] args) throws IOException {
// 例項化,並監聽埠
AsynchronousServerSocketChannel server =
AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080));
// 自己定義一個 Attachment 類,用於傳遞一些資訊
Attachment att = new Attachment();
att.setServer(server);
server.accept(att, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Attachment>() {
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Attachment att) {
try {
SocketAddress clientAddr = client.getRemoteAddress();
System.out.println("收到新的連線:" + clientAddr);
// 收到新的連線後,server 應該重新呼叫 accept 方法等待新的連線進來
att.getServer().accept(att, this);
Attachment newAtt = new Attachment();
newAtt.setServer(server);
newAtt.setClient(client);
newAtt.setReadMode(true);
newAtt.setBuffer(ByteBuffer.allocate(2048));
// 這裡也可以繼續使用匿名實現類,不過程式碼不好看,所以這裡專門定義一個類
client.read(newAtt.getBuffer(), newAtt, new ChannelHandler());
} catch (IOException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
@Override
public void failed(Throwable t, Attachment att) {
System.out.println("accept failed");
}
});
// 為了防止 main 執行緒退出
try {
Thread.currentThread().join();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
}
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看一下 ChannelHandler 類:
package com.javadoop.aio;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.nio.charset.Charset;
public class ChannelHandler implements CompletionHandler<Integer, Attachment> {
@Override
public void completed(Integer result, Attachment att) {
if (att.isReadMode()) {
// 讀取來自客戶端的資料
ByteBuffer buffer = att.getBuffer();
buffer.flip();
byte bytes[] = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(bytes);
String msg = new String(buffer.array()).toString().trim();
System.out.println("收到來自客戶端的資料: " + msg);
// 響應客戶端請求,返回資料
buffer.clear();
buffer.put("Response from server!".getBytes(Charset.forName("UTF-8")));
att.setReadMode(false);
buffer.flip();
// 寫資料到客戶端也是非同步
att.getClient().write(buffer, att, this);
} else {
// 到這裡,說明往客戶端寫資料也結束了,有以下兩種選擇:
// 1. 繼續等待客戶端傳送新的資料過來
// att.setReadMode(true);
// att.getBuffer().clear();
// att.getClient().read(att.getBuffer(), att, this);
// 2. 既然服務端已經返回資料給客戶端,斷開這次的連線
try {
att.getClient().close();
} catch (IOException e) {
}
}
}
@Override
public void failed(Throwable t, Attachment att) {
System.out.println("連線斷開");
}
}
複製程式碼
順便再貼一下自定義的 Attachment 類:
public class Attachment {
private AsynchronousServerSocketChannel server;
private AsynchronousSocketChannel client;
private boolean isReadMode;
private ByteBuffer buffer;
// getter & setter
}
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這樣,一個簡單的服務端就寫好了,接下來可以接收客戶端請求了。上面我們用的都是回撥函式的方式,讀者要是感興趣,可以試試寫個使用 Future 的。
AsynchronousSocketChannel
其實,說完上面的 AsynchronousServerSocketChannel,基本上讀者也就知道怎麼使用 AsynchronousSocketChannel 了,和非阻塞 IO 基本類似。
這邊做個簡單演示,這樣讀者就可以配合之前介紹的 Server 進行測試使用了。
package com.javadoop.aio;
import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.Future;
public class Client {
public static void main(String[] args) throws Exception {
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();
// 來個 Future 形式的
Future<?> future = client.connect(new InetSocketAddress(8080));
// 阻塞一下,等待連線成功
future.get();
Attachment att = new Attachment();
att.setClient(client);
att.setReadMode(false);
att.setBuffer(ByteBuffer.allocate(2048));
byte[] data = "I am obot!".getBytes();
att.getBuffer().put(data);
att.getBuffer().flip();
// 非同步傳送資料到服務端
client.write(att.getBuffer(), att, new ClientChannelHandler());
// 這裡休息一下再退出,給出足夠的時間處理資料
Thread.sleep(2000);
}
}
複製程式碼
往裡面看下 ClientChannelHandler 類:
package com.javadoop.aio;
import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.CompletionHandler;
import java.nio.charset.Charset;
public class ClientChannelHandler implements CompletionHandler<Integer, Attachment> {
@Override
public void completed(Integer result, Attachment att) {
ByteBuffer buffer = att.getBuffer();
if (att.isReadMode()) {
// 讀取來自服務端的資料
buffer.flip();
byte[] bytes = new byte[buffer.limit()];
buffer.get(bytes);
String msg = new String(bytes, Charset.forName("UTF-8"));
System.out.println("收到來自服務端的響應資料: " + msg);
// 接下來,有以下兩種選擇:
// 1. 向服務端傳送新的資料
// att.setReadMode(false);
// buffer.clear();
// String newMsg = "new message from client";
// byte[] data = newMsg.getBytes(Charset.forName("UTF-8"));
// buffer.put(data);
// buffer.flip();
// att.getClient().write(buffer, att, this);
// 2. 關閉連線
try {
att.getClient().close();
} catch (IOException e) {
}
} else {
// 寫操作完成後,會進到這裡
att.setReadMode(true);
buffer.clear();
att.getClient().read(buffer, att, this);
}
}
@Override
public void failed(Throwable t, Attachment att) {
System.out.println("伺服器無響應");
}
}
複製程式碼
以上程式碼都是可以執行除錯的,如果讀者碰到問題,請在評論區留言。
Asynchronous Channel Groups
為了知識的完整性,有必要對 group 進行介紹,其實也就是介紹 AsynchronousChannelGroup 這個類。之前我們說過,非同步 IO 一定存在一個執行緒池,這個執行緒池負責接收任務、處理 IO 事件、回撥等。這個執行緒池就在 group 內部,group 一旦關閉,那麼相應的執行緒池就會關閉。
AsynchronousServerSocketChannels 和 AsynchronousSocketChannels 是屬於 group 的,當我們呼叫 AsynchronousServerSocketChannel 或 AsynchronousSocketChannel 的 open() 方法的時候,相應的 channel 就屬於預設的 group,這個 group 由 JVM 自動構造並管理。
如果我們想要配置這個預設的 group,可以在 JVM 啟動引數中指定以下系統變數:
java.nio.channels.DefaultThreadPool.threadFactory
此係統變數用於設定 ThreadFactory,它應該是 java.util.concurrent.ThreadFactory 實現類的全限定類名。一旦我們指定了這個 ThreadFactory 以後,group 中的執行緒就會使用該類產生。
java.nio.channels.DefaultThreadPool.initialSize
此係統變數也很好理解,用於設定執行緒池的初始大小。
可能你會想要使用自己定義的 group,這樣可以對其中的執行緒進行更多的控制,使用以下幾個方法即可:
- AsynchronousChannelGroup.withCachedThreadPool(ExecutorService executor, int initialSize)
- AsynchronousChannelGroup.withFixedThreadPool(int nThreads, ThreadFactory threadFactory)
- AsynchronousChannelGroup.withThreadPool(ExecutorService executor)
熟悉執行緒池的讀者對這些方法應該很好理解,它們都是 AsynchronousChannelGroup 中的靜態方法。
至於 group 的使用就很簡單了,程式碼一看就懂:
AsynchronousChannelGroup group = AsynchronousChannelGroup
.withFixedThreadPool(10, Executors.defaultThreadFactory());
AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open(group);
AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open(group);
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AsynchronousFileChannels 不屬於 group。但是它們也是關聯到一個執行緒池的,如果不指定,會使用系統預設的執行緒池,如果想要使用指定的執行緒池,可以在例項化的時候使用以下方法:
public static AsynchronousFileChannel open(Path file,
Set<? extends OpenOption> options,
ExecutorService executor,
FileAttribute<?>... attrs) {
...
}
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到這裡,非同步 IO 就算介紹完成了。
小結
我想,本文應該是說清楚了非阻塞 IO 和非同步 IO 了,對於非同步 IO,由於網上的資料比較少,所以不免篇幅多了些。
我們也要知道,看懂了這些,確實可以學到一些東西,多瞭解一些知識,但是我們還是很少在工作中將這些知識變成工程程式碼。一般而言,我們需要在網路應用中使用 NIO 或 AIO 來提升效能,但是,在工程上,絕不是瞭解了一些概念,知道了一些介面就可以的,需要處理的細節還非常多。
這也是為什麼 Netty/Mina 如此盛行的原因,因為它們幫助封裝好了很多細節,提供給我們使用者友好的介面,後面有時間我也會對 Netty 進行介紹。
(全文完)