轉載————JavaGuide

Java 中的 BIO、NIO和 AIO 理解為是 Java 語言對操作系統(tǒng)的各種 IO 模型的封裝铲咨。程序員在使用這些 API 的時候旭绒，不需要關心操作系統(tǒng)層面的知識，也不需要根據(jù)不同操作系統(tǒng)編寫不同的代碼由驹。只需要使用Java的API就可以了募疮。

同步與異步的概念

• 當你同步執(zhí)行某項任務時炫惩，你需要等待其完成才能繼續(xù)執(zhí)行其他任務。當你異步執(zhí)行某些操作時阿浓，你可以在完成另一個任務之前繼續(xù)進行他嚷。
• 同步 ：兩個同步任務相互依賴，并且一個任務必須以依賴于另一任務的某種方式執(zhí)行搔扁。 比如在A->B事件模型中爸舒，你需要先完成 A 才能執(zhí)行B。 再換句話說稿蹲，同步調用種被調用者未處理完請求之前扭勉，調用不返回，調用者會一直等待結果的返回苛聘。
• 異步： 兩個異步的任務完全獨立的涂炎，一方的執(zhí)行不需要等待另外一方的執(zhí)行。再換句話說设哗，異步調用中一調用就返回結果不需要等待結果返回唱捣，當結果返回的時候通過回調函數(shù)或者其他方式拿著結果再做相關事情。

阻塞和非阻塞的概念

• 阻塞： 阻塞就是發(fā)起一個請求网梢，調用者一直等待請求結果返回震缭，也就是當前線程會被掛起，無法從事其他任務战虏，只有當條件就緒才能繼續(xù)拣宰。
• 非阻塞： 非阻塞就是發(fā)起一個請求，調用者不用一直等著結果返回烦感，可以先去干其他事情巡社。

如何區(qū)分 “同步/異步 ”和 “阻塞/非阻塞” 呢？

同步/異步是從行為角度描述事物的手趣，而阻塞和非阻塞描述的當前事物的狀態(tài)（等待調用結果時的狀態(tài)）晌该。

1. BIO (Blocking I/O)

同步阻塞I/O模式，數(shù)據(jù)的讀取寫入必須阻塞在一個線程內等待其完成绿渣。

1.1 傳統(tǒng) BIO

BIO通信（一請求一應答）模型圖如下(圖源網絡朝群，原出處不明)：

BIO通訊模型

我們再設想一下當客戶端并發(fā)訪問量增加后這種模型會出現(xiàn)什么問題？

在 Java 虛擬機中西土，線程是寶貴的資源讶舰，線程的創(chuàng)建和銷毀成本很高，除此之外需了，線程的切換成本也是很高的绘雁。尤其在 Linux 這樣的操作系統(tǒng)中，線程本質上就是一個進程援所，創(chuàng)建和銷毀線程都是重量級的系統(tǒng)函數(shù)。如果并發(fā)訪問量增加會導致線程數(shù)急劇膨脹可能會導致線程堆棧溢出欣除、創(chuàng)建新線程失敗等問題住拭，最終導致進程宕機或者僵死，不能對外提供服務历帚。

1.2 偽異步 IO

為了解決同步阻塞I/O面臨的一個鏈路需要一個線程處理的問題滔岳，后來有人對它的線程模型進行了優(yōu)化一一一后端通過一個線程池來處理多個客戶端的請求接入，形成客戶端個數(shù)M：線程池最大線程數(shù)N的比例關系挽牢，其中M可以遠遠大于N.通過線程池可以靈活地調配線程資源谱煤，設置線程的最大值，防止由于海量并發(fā)接入導致線程耗盡禽拔。
偽異步IO模型圖(圖源網絡刘离，原出處不明)：

偽異步IO模型

采用線程池和任務隊列可以實現(xiàn)一種叫做偽異步的 I/O 通信框架室叉，它的模型圖如上圖所示。當有新的客戶端接入時硫惕，將客戶端的 Socket 封裝成一個Task（該任務實現(xiàn)java.lang.Runnable接口）投遞到后端的線程池中進行處理茧痕，JDK 的線程池維護一個消息隊列和 N 個活躍線程，對消息隊列中的任務進行處理恼除。由于線程池可以設置消息隊列的大小和最大線程數(shù)踪旷，因此，它的資源占用是可控的豁辉，無論多少個客戶端并發(fā)訪問令野，都不會導致資源的耗盡和宕機。
偽異步I/O通信框架采用了線程池實現(xiàn)徽级，因此避免了為每個請求都創(chuàng)建一個獨立線程造成的線程資源耗盡問題气破。不過因為它的底層仍然是同步阻塞的BIO模型，因此無法從根本上解決問題灰追。

1.3 代碼實例

下面代碼中演示了BIO通信（一請求一應答）模型堵幽。我們會在客戶端創(chuàng)建多個線程依次連接服務端并向其發(fā)送"當前時間+:hello world"，服務端會為每個客戶端線程創(chuàng)建一個線程來處理弹澎。代碼示例出自閃電俠的博客朴下，原地址如下：

http://www.reibang.com/p/a4e03835921a
客戶端

/**
 * 
 * @author 閃電俠
 * @date 2018年10月14日
 * @Description:客戶端
 */
public class IOClient {

  public static void main(String[] args) {
    // TODO 創(chuàng)建多個線程，模擬多個客戶端連接服務端
    new Thread(() -> {
      try {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 3333);
        while (true) {
          try {
            socket.getOutputStream().write((new Date() + ": hello world").getBytes());
            Thread.sleep(2000);
          } catch (Exception e) {
          }
        }
      } catch (IOException e) {
      }
    }).start();

  }

}

服務器端

/**
 * 
 * @author 閃電俠
 * @date 2018年10月14日
 * @Description:客戶端
 */
public class IOClient {

  public static void main(String[] args) {
    // TODO 創(chuàng)建多個線程苦蒿，模擬多個客戶端連接服務端
    new Thread(() -> {
      try {
        Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 3333);
        while (true) {
          try {
            socket.getOutputStream().write((new Date() + ": hello world").getBytes());
            Thread.sleep(2000);
          } catch (Exception e) {
          }
        }
      } catch (IOException e) {
      }
    }).start();

  }

}

1.4 總結

在活動連接數(shù)不是特別高（小于單機1000）的情況下殴胧，這種模型是比較不錯的，可以讓每一個連接專注于自己的 I/O 并且編程模型簡單佩迟，也不用過多考慮系統(tǒng)的過載团滥、限流等問題。線程池本身就是一個天然的漏斗报强，可以緩沖一些系統(tǒng)處理不了的連接或請求灸姊。但是，當面對十萬甚至百萬級連接的時候秉溉，傳統(tǒng)的 BIO 模型是無能為力的力惯。因此，我們需要一種更高效的 I/O 處理模型來應對更高的并發(fā)量召嘶。

2. NIO (New I/O)

2.1 NIO 簡介

NIO是一種同步非阻塞的I/O模型父晶，在Java 1.4 中引入了 NIO 框架，對應 java.nio 包弄跌，提供了 Channel , Selector甲喝，Buffer等抽象。
NIO中的N可以理解為Non-blocking铛只，不單純是New埠胖。它支持面向緩沖的糠溜，基于通道的I/O操作方法。 NIO提供了與傳統(tǒng)BIO模型中的 Socket 和 ServerSocket 相對應的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 兩種不同的套接字通道實現(xiàn),兩種通道都支持阻塞和非阻塞兩種模式押袍。阻塞模式使用就像傳統(tǒng)中的支持一樣诵冒，比較簡單，但是性能和可靠性都不好谊惭；非阻塞模式正好與之相反汽馋。對于低負載、低并發(fā)的應用程序圈盔，可以使用同步阻塞I/O來提升開發(fā)速率和更好的維護性豹芯；對于高負載、高并發(fā)的（網絡）應用驱敲，應使用 NIO 的非阻塞模式來開發(fā)铁蹈。

2.2 NIO的特性/NIO與IO區(qū)別

如果是在面試中回答這個問題，我覺得首先肯定要從 NIO 流是非阻塞 IO 而 IO 流是阻塞 IO 說起众眨。然后握牧，可以從 NIO 的3個核心組件/特性為 NIO 帶來的一些改進來分析。如果娩梨，你把這些都回答上了我覺得你對于 NIO 就有了更為深入一點的認識沿腰，面試官問到你這個問題，你也能很輕松的回答上來了狈定。

1)Non-blocking IO（非阻塞IO）

IO流是阻塞的颂龙，NIO流是不阻塞的。
Java NIO使我們可以進行非阻塞IO操作纽什。比如說措嵌，單線程中從通道讀取數(shù)據(jù)到buffer，同時可以繼續(xù)做別的事情芦缰，當數(shù)據(jù)讀取到buffer中后企巢，線程再繼續(xù)處理數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)也是一樣的让蕾。另外浪规，非阻塞寫也是如此。一個線程請求寫入一些數(shù)據(jù)到某通道涕俗，但不需要等待它完全寫入，這個線程同時可以去做別的事情神帅。

Java IO的各種流是阻塞的再姑。這意味著，當一個線程調用 read() 或 write() 時找御，該線程被阻塞元镀，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取绍填，或數(shù)據(jù)完全寫入。該線程在此期間不能再干任何事情了

2)Buffer(緩沖區(qū))

IO 面向流(Stream oriented)栖疑，而 NIO 面向緩沖區(qū)(Buffer oriented)讨永。

Buffer是一個對象，它包含一些要寫入或者要讀出的數(shù)據(jù)遇革。在NIO類庫中加入Buffer對象卿闹，體現(xiàn)了新庫與原I/O的一個重要區(qū)別。在面向流的I/O中·可以將數(shù)據(jù)直接寫入或者將數(shù)據(jù)直接讀到 Stream 對象中萝快。雖然 Stream 中也有 Buffer 開頭的擴展類锻霎，但只是流的包裝類，還是從流讀到緩沖區(qū)揪漩，而 NIO 卻是直接讀到 Buffer 中進行操作旋恼。

在NIO庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)處理的奄容。在讀取數(shù)據(jù)時冰更，它是直接讀到緩沖區(qū)中的; 在寫入數(shù)據(jù)時，寫入到緩沖區(qū)中昂勒。任何時候訪問NIO中的數(shù)據(jù)蜀细，都是通過緩沖區(qū)進行操作。

最常用的緩沖區(qū)是 ByteBuffer,一個 ByteBuffer 提供了一組功能用于操作 byte 數(shù)組叁怪。除了ByteBuffer,還有其他的一些緩沖區(qū)审葬，事實上，每一種Java基本類型（除了Boolean類型）都對應有一種緩沖區(qū)奕谭。

3)Channel (通道)

NIO 通過Channel（通道） 進行讀寫涣觉。

通道是雙向的，可讀也可寫血柳，而流的讀寫是單向的官册。無論讀寫，通道只能和Buffer交互难捌。因為 Buffer膝宁，通道可以異步地讀寫。

4)Selector (選擇器)

NIO有選擇器根吁，而IO沒有员淫。
選擇器用于使用單個線程處理多個通道。因此击敌，它需要較少的線程來處理這些通道介返。線程之間的切換對于操作系統(tǒng)來說是昂貴的。 因此，為了提高系統(tǒng)效率選擇器是有用的圣蝎。

2.3 NIO讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)的方式

通常來說NIO中的所有IO都是從 Channel（通道） 開始的刃宵。

• 從通道進行數(shù)據(jù)讀取 ：創(chuàng)建一個緩沖區(qū)，然后請求通道讀取數(shù)據(jù)徘公。

• 從通道進行數(shù)據(jù)寫入 ：創(chuàng)建一個緩沖區(qū)牲证，填充數(shù)據(jù)，并要求通道寫入數(shù)據(jù)关面。
  數(shù)據(jù)讀取和寫入操作圖示：

  
  

2.4 NIO核心組件簡單介紹

NIO 包含下面幾個核心的組件：

• Channel(通道)
• Buffer(緩沖區(qū))
• Selector(選擇器)
  整個NIO體系包含的類遠遠不止這三個坦袍，只能說這三個是NIO體系的“核心API”。我們上面已經對這三個概念進行了基本的闡述缭裆，這里就不多做解釋了键闺。

2.5 代碼實列

代碼示例出自閃電俠的博客，原地址如下：

http://www.reibang.com/p/a4e03835921a

客戶端 IOClient.java 的代碼不變澈驼，我們對服務端使用 NIO 進行改造辛燥。以下代碼較多而且邏輯比較復雜，大家看看就好缝其。

/**
 * 
 * @author 閃電俠
 * @date 2019年2月21日
 * @Description: NIO 改造后的服務端
 */
public class NIOServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 1. serverSelector負責輪詢是否有新的連接挎塌，服務端監(jiān)測到新的連接之后，不再創(chuàng)建一個新的線程内边，
    // 而是直接將新連接綁定到clientSelector上榴都，這樣就不用 IO 模型中 1w 個 while 循環(huán)在死等
    Selector serverSelector = Selector.open();
    // 2. clientSelector負責輪詢連接是否有數(shù)據(jù)可讀
    Selector clientSelector = Selector.open();

    new Thread(() -> {
      try {
        // 對應IO編程中服務端啟動
        ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
        listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(3333));
        listenerChannel.configureBlocking(false);
        listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
          // 監(jiān)測是否有新的連接，這里的1指的是阻塞的時間為 1ms
          if (serverSelector.select(1) > 0) {
            Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
              SelectionKey key = keyIterator.next();

              if (key.isAcceptable()) {
                try {
                  // (1) 每來一個新連接漠其，不需要創(chuàng)建一個線程嘴高，而是直接注冊到clientSelector
                  SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                  clientChannel.configureBlocking(false);
                  clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                } finally {
                  keyIterator.remove();
                }
              }

            }
          }
        }
      } catch (IOException ignored) {
      }
    }).start();
    new Thread(() -> {
      try {
        while (true) {
          // (2) 批量輪詢是否有哪些連接有數(shù)據(jù)可讀，這里的1指的是阻塞的時間為 1ms
          if (clientSelector.select(1) > 0) {
            Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
            Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();

            while (keyIterator.hasNext()) {
              SelectionKey key = keyIterator.next();

              if (key.isReadable()) {
                try {
                  SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                  ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                  // (3) 面向 Buffer
                  clientChannel.read(byteBuffer);
                  byteBuffer.flip();
                  System.out.println(
                      Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer).toString());
                } finally {
                  keyIterator.remove();
                  key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                }
              }

            }
          }
        }
      } catch (IOException ignored) {
      }
    }).start();

  }
}

為什么大家都不愿意用 JDK 原生 NIO 進行開發(fā)呢和屎？從上面的代碼中大家都可以看出來拴驮，是真的難用！除了編程復雜柴信、編程模型難之外套啤，它還有以下讓人詬病的問題：

• JDK 的 NIO 底層由 epoll 實現(xiàn)，該實現(xiàn)飽受詬病的空輪詢 bug 會導致 cpu 飆升 100%
• 項目龐大之后随常，自行實現(xiàn)的 NIO 很容易出現(xiàn)各類 bug潜沦，維護成本較高，上面這一坨代碼我都不能保證沒有 bug

Netty 的出現(xiàn)很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些讓人難以忍受的問題绪氛。

3. AIO(Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2唆鸡。在 Java 7 中引入了 NIO 的改進版 NIO 2,它是異步非阻塞的IO模型。異步 IO 是基于事件和回調機制實現(xiàn)的枣察，也就是應用操作之后會直接返回争占，不會堵塞在那里袄琳，當后臺處理完成，操作系統(tǒng)會通知相應的線程進行后續(xù)的操作燃乍。

AIO 是異步IO的縮寫，雖然 NIO 在網絡操作中宛琅，提供了非阻塞的方法刻蟹，但是 NIO 的 IO 行為還是同步的。對于 NIO 來說嘿辟，我們的業(yè)務線程是在 IO 操作準備好時舆瘪，得到通知，接著就由這個線程自行進行 IO 操作红伦，IO操作本身是同步的英古。（除了 AIO 其他的 IO 類型都是同步的，這一點可以從底層IO線程模型解釋昙读，推薦一篇文章：《漫話：如何給女朋友解釋什么是Linux的五種IO模型召调？》 ）

查閱網上相關資料，我發(fā)現(xiàn)就目前來說 AIO 的應用還不是很廣泛蛮浑，Netty 之前也嘗試使用過 AIO唠叛，不過又放棄了。