关于BIO、NIO、AIO的一些概念与区别

首先要知道同步、异步、阻塞、非阻塞这几个概念。

1. 同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)
        所谓同步，就是在发出一个*调用*时，在没有得到结果之前，该*调用*就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。
换句话说，就是由*调用者*主动等待这个*调用*的结果。

        而异步则是相反，*调用*在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在*调用*发出后，*被调用者*通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

典型的异步编程模型比如Node.js

2. 阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.

        阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
        非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

 

3. IO模型主要分类有：

• 同步(synchronous) IO和异步(asynchronous) IO
• 阻塞(blocking) IO和非阻塞(non-blocking)IO
• 同步阻塞(blocking-IO)简称BIO
• 同步非阻塞(non-blocking-IO)简称NIO
• 异步非阻塞(synchronous-non-blocking-IO)简称AIO

4. BIO、NIO、AIO的概念

4.1 BIO（同步阻塞I/O模式）

数据的读取写入必修阻塞在一个线程内等待其完成。

4.2 NIO（同步非阻塞）

是传统IO的升级，客户端和服务端通过Channel(通道）通讯，实现了多路复用

4.3 AIO（异步非阻塞I/O模型）

异步非阻塞无需一个线程去轮询所有IO操作的状态改变，在相应的状态改变后，系统会通知对应的线程来处理。

4.4 IO与NIO区别

IO	NIO
面向流	面向缓冲区
阻塞IO	非阻塞IO
无	选择器

5. BIO、NIO、AIO适用场景

• BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择。
• NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂。
• AIO方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。

5.1 传统 BIO

BIO通信（一请求一应答）模型图如下(图源网络，原出处不明)：

        采用 BIO 通信模型 的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的连接。我们一般通过在while(true) 循环中服务端会调用 accept() 方法等待接收客户端的连接的方式监听请求，请求一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字在这个通信套接字上进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待同当前连接的客户端的操作执行完成， 不过可以通过多线程来支持多个客户端的连接，如上图所示。

        如果要让 BIO 通信模型 能够同时处理多个客户端请求，就必须使用多线程（主要原因是socket.accept()、socket.read()、socket.write() 涉及的三个主要函数都是同步阻塞的），也就是说它在接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理，处理完成之后，通过输出流返回应答给客户端，线程销毁。这就是典型的 一请求一应答通信模型 。我们可以设想一下如果这个连接不做任何事情的话就会造成不必要的线程开销，不过可以通过 线程池机制 改善，线程池还可以让线程的创建和回收成本相对较低。使用FixedThreadPool 可以有效的控制了线程的最大数量，保证了系统有限的资源的控制，实现了N(客户端请求数量):M(处理客户端请求的线程数量)的伪异步I/O模型（N 可以远远大于 M），下面一节"伪异步 BIO"中会详细介绍到。

我们再设想一下当客户端并发访问量增加后这种模型会出现什么问题？

        在 Java 虚拟机中，线程是宝贵的资源，线程的创建和销毁成本很高，除此之外，线程的切换成本也是很高的。尤其在 Linux 这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程，创建和销毁线程都是重量级的系统函数。如果并发访问量增加会导致线程数急剧膨胀可能会导致线程堆栈溢出、创建新线程失败等问题，最终导致进程宕机或者僵死，不能对外提供服务。

5.2 伪异步 IO

        为了解决同步阻塞I/O面临的一个链路需要一个线程处理的问题，后来有人对它的线程模型进行了优化一一一后端通过一个线程池来处理多个客户端的请求接入，形成客户端个数M：线程池最大线程数N的比例关系，其中M可以远远大于N.通过线程池可以灵活地调配线程资源，设置线程的最大值，防止由于海量并发接入导致线程耗尽。

伪异步IO模型图(图源网络，原出处不明)：

        采用线程池和任务队列可以实现一种叫做伪异步的 I/O 通信框架，它的模型图如上图所示。当有新的客户端接入时，将客户端的 Socket 封装成一个Task（该任务实现java.lang.Runnable接口）投递到后端的线程池中进行处理，JDK 的线程池维护一个消息队列和 N 个活跃线程，对消息队列中的任务进行处理。由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此，它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。

伪异步I/O通信框架采用了线程池实现，因此避免了为每个请求都创建一个独立线程造成的线程资源耗尽问题。不过因为它的底层仍然是同步阻塞的BIO模型，因此无法从根本上解决问题。

5.3 代码示例

        下面代码中演示了BIO通信（一请求一应答）模型。我们会在客户端创建多个线程依次连接服务端并向其发送"当前时间+:hello world"，服务端会为每个客户端线程创建一个线程来处理。代码示例出自闪电侠的博客，原地址如下：

https://www.jianshu.com/p/a4e03835921a

客户端

/**
 * 
 * @author 闪电侠
 * @date 2018年10月14日
 * @Description:客户端
 */
public class IOClient {

  public static void main(String[] args) {
    // TODO 创建多个线程，模拟多个客户端连接服务端
    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();

  }

}

服务端

/**
 * @author 闪电侠
 * @date 2018年10月14日
 * @Description: 服务端
 */
public class IOServer {

  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // TODO 服务端处理客户端连接请求
    ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(3333);

    // 接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理
    new Thread(() -> {
      while (true) {
        try {
          // 阻塞方法获取新的连接
          Socket socket = serverSocket.accept();

          // 每一个新的连接都创建一个线程，负责读取数据
          new Thread(() -> {
            try {
              int len;
              byte[] data = new byte[1024];
              InputStream inputStream = socket.getInputStream();
              // 按字节流方式读取数据
              while ((len = inputStream.read(data)) != -1) {
                System.out.println(new String(data, 0, len));
              }
            } catch (IOException e) {
            }
          }).start();

        } catch (IOException e) {
        }

      }
    }).start();

  }

}

5.4 总结

        在活动连接数不是特别高（小于单机1000）的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的 I/O 并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

6. NIO代码示例

代码示例出自闪电侠的博客，原地址如下：

https://www.jianshu.com/p/a4e03835921a

客户端 IOClient.java 的代码不变，我们对服务端使用 NIO 进行改造。以下代码较多而且逻辑比较复杂，大家看看就好。

/**
 * 
 * @author 闪电侠
 * @date 2019年2月21日
 * @Description: NIO 改造后的服务端
 */
public class NIOServer {
  public static void main(String[] args) throws IOException {
    // 1. serverSelector负责轮询是否有新的连接，服务端监测到新的连接之后，不再创建一个新的线程，
    // 而是直接将新连接绑定到clientSelector上，这样就不用 IO 模型中 1w 个 while 循环在死等
    Selector serverSelector = Selector.open();
    // 2. clientSelector负责轮询连接是否有数据可读
    Selector clientSelector = Selector.open();

    new Thread(() -> {
      try {
        // 对应IO编程中服务端启动
        ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
        listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(3333));
        listenerChannel.configureBlocking(false);
        listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

        while (true) {
          // 监测是否有新的连接，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
          if (serverSelector.select(1) > 0) {
            Set set = serverSelector.selectedKeys();
            Iterator keyIterator = set.iterator();

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

              if (key.isAcceptable()) {
                try {
                  // (1) 每来一个新连接，不需要创建一个线程，而是直接注册到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) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
          if (clientSelector.select(1) > 0) {
            Set set = clientSelector.selectedKeys();
            Iterator 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();

  }
}

        为什么大家都不愿意用 JDK 原生 NIO 进行开发呢？从上面的代码中大家都可以看出来，是真的难用！除了编程复杂、编程模型难之外，它还有以下让人诟病的问题：

• JDK 的 NIO 底层由 epoll 实现，该实现饱受诟病的空轮询 bug 会导致 cpu 飙升 100%
• 项目庞大之后，自行实现的 NIO 很容易出现各类 bug，维护成本较高，上面这一坨代码我都不能保证没有 bug

Netty 的出现很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些让人难以忍受的问题。

 

参考

• https://github.com/Snailclimb/JavaGuide/blob/master/docs/java/BIO-NIO-AIO.md
• 《Netty 权威指南》第二版
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/23488863 (美团技术团队)
• https://zhuanlan.zhihu.com/p/83597838
• https://www.zhihu.com/question/19732473/answer/20851256