Java 非同步 IO (NIO.2) 完整指南：AsynchronousFileChannel 兩種操作模式實戰

非同步 IO 核心類別

Java 7 引入 NIO.2，提供真正的非同步 IO 能力，核心通道類別：

• AsynchronousFileChannel：檔案非同步讀寫
• AsynchronousSocketChannel：客戶端非同步 Socket
• AsynchronousServerSocketChannel：伺服器端非同步接受連線

兩種完成通知模式

Future 模式實作：大檔案非同步讀取

try (AsynchronousFileChannel channel = 
        AsynchronousFileChannel.open(Paths.get("large-file.dat"))) {
    
    ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(100 * 1024 * 1024); // 100MB 直接記憶體
    Future<Integer> result = channel.read(buffer, 0); // 位置 0 開始讀
    
    // 執行其他有用工作
    while (!result.isDone()) {
        System.out.println("讀取中，可處理其他任務...");
        // doOtherWork();
    }
    
    System.out.println("實際讀取位元組數: " + result.get()); // 阻塞直到完成
} catch (IOException | InterruptedException | ExecutionException e) {
    e.printStackTrace();
}

Callback 模式實作：非同步寫入

byte[] data = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23};
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(data);

CompletionHandler<Integer, Object> handler = new CompletionHandler<Integer, Object>() {
    @Override
    public void completed(Integer result, Object attachment) {
        System.out.println("寫入完成，位元組數: " + result);
        // 可在此鏈接下一個非同步操作
    }
    
    @Override
    public void failed(Throwable exc, Object attachment) {
        System.err.println("寫入失敗: " + exc.getMessage());
    }
};

try (AsynchronousFileChannel channel = AsynchronousFileChannel.open(
        Paths.get("primes.txt"), 
        StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE)) {
    
    channel.write(buffer, 0, null, handler); // attachment 可傳遞上下文物件
    
    // 主執行緒需等待，否則程式結束通道關閉
    Thread.sleep(10000); 
} catch (IOException | InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
}

執行緒池與資源管理

• 預設使用 JVM 共享執行緒池（ForkJoinPool.commonPool()）
• 可自訂執行緒池：AsynchronousFileChannel.open(path, executor)
• try-with-resources 確保通道關閉，但需注意：關閉通道會取消未完成操作

CompletionHandler 進階方法

對比：非同步 vs 多路複用

• 非同步 IO (AIO)：核心完成 IO 後通知應用，適用於高併發、長耗時操作
• 多路複用 (NIO)：Selector 輪詢通道就緒狀態，單執行緒管理多連線，適用於大量短連線
• Java 兩者共存，可根據業務特性混合使用

實務建議

1. 大檔案順序讀寫：Files.copy() 或 FileChannel.transferTo() 零拷貝更高效
2. 網路服務：Netty 等框架封裝了 NIO/AIO，生產環境優先使用成熟框架
3. 直接記憶體 (allocateDirect) 減少堆外拷貝，但分配/回收成本較高，需池化
4. 錯誤處理：ExecutionException 包裝真實異常，需 getCause() 獲取