1 概述
流计算系统中经常需要与外部系统进行交互，我们通常的做法如向数据库发送用户a的查询请求，然后等待结果返回，在这之前，我们的程序无法发送用户b的查询请求。这是一种同步访问方式，如下图所示。

图中棕色的长条表示等待时间，可以发现网络等待时间极大地阻碍了吞吐和延迟。为了解决同步访问的问题，异步模式可以并发地处理多个请求和回复。也就是说，你可以连续地向数据库发送用户a、b、c等的请求，与此同时，哪个请求的回复先返回了就处理哪个回复，从而连续的请求之间不需要阻塞等待，如上图右边所示。这也正是 Async I/O 的实现原理。
2 Async I/O原理实现
如下官方示例代码：

// This example implements the asynchronous request and callback with Futures that have the
// interface of Java 8's futures (which is the same one followed by Flink's Future)
/**
 * An implementation of the 'AsyncFunction' that sends requests and sets the callback.
 */
class AsyncDatabaseRequest extends RichAsyncFunction<String, Tuple2<String, String>> {
    /** The database specific client that can issue concurrent requests with callbacks */
    private transient DatabaseClient client;
    @Override
    public void open(Configuration parameters) throws Exception {
        client = new DatabaseClient(host, post, credentials);
    }
    @Override
    public void close() throws Exception {
        client.close();
    }
    @Override
    public void asyncInvoke(String key, final ResultFuture<Tuple2<String, String>> resultFuture) throws Exception {
        // issue the asynchronous request, receive a future for result
        final Future<String> result = client.query(key);
        // set the callback to be executed once the request by the client is complete
        // the callback simply forwards the result to the result future
        CompletableFuture.supplyAsync(new Supplier<String>() {
            @Override
            public String get() {
                try {
                    return result.get();
                } catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
                    // Normally handled explicitly.
                    return null;
                }
            }
        }).thenAccept( (String dbResult) -> {
            resultFuture.complete(Collections.singleton(new Tuple2<>(key, dbResult)));
        });
    }
}
// create the original stream
DataStream<String> stream = ...;
// apply the async I/O transformation
DataStream<Tuple2<String, String>> resultStream =
    AsyncDataStream.unorderedWait(stream, new AsyncDatabaseRequest(), 1000, TimeUnit.MILLISECONDS, 100);

AsyncDataStream.(un)orderedWait 的主要工作就是创建了一个 AsyncWaitOperator。AsyncWaitOperator 是支持异步 IO 访问的算子实现，该算子会运行 AsyncFunction 并处理异步返回的结果，其内部原理如下图所示。

如图所示，AsyncWaitOperator 主要由两部分组成：StreamElementQueue 和 Emitter。StreamElementQueue 是一个 Promise 队列，所谓 Promise 是一种异步抽象表示将来会有一个值，这个队列是未完成的 Promise 队列，也就是进行中的请求队列。Emitter 是一个单独的线程，负责发送消息（收到的异步回复）给下游。
图中E5表示进入该算子的第五个元素（”Element-5”），在执行过程中首先会将其包装成一个 “Promise” P5，然后将P5放入队列。最后调用 AsyncFunction 的 ayncInvoke 方法，该方法会向外部服务发起一个异步的请求，并注册回调。该回调会在异步请求成功返回时调用 AsyncCollector.collect 方法将返回的结果交给框架处理。实际上 AsyncCollector 是一个 Promise ，也就是 P5，在调用 collect 的时候会标记 Promise 为完成状态，并通知 Emitter 线程有完成的消息可以发送了。Emitter 就会从队列中拉取完成的 Promise ，并从 Promise 中取出消息发送给下游。
3 消息顺序性
3.1 有序
有序比较简单，使用一个队列就能实现。所有新进入该算子的元素（包括 watermark），都会包装成 Promise 并按到达顺序放入该队列。如下图所示，尽管P4的结果先返回，但并不会发送，只有 P1 （队首）的结果返回了才会触发 Emitter 拉取队首元素进行发送。

3.2 无序
使用两个队列就能实现，一个 uncompletedQueue 一个 completedQueue。所有新进入该算子的元素，同样的包装成 Promise 并放入 uncompletedQueue 队列，当uncompletedQueue队列中任意的Promise返回了数据，则将该 Promise 移到 completedQueue 队列中，并通知 Emitter 消费。如下图所示：

参考

简书：Flink异步I/O
https://www.jianshu.com/p/d8f99d94b761