Java中nio、bio和aio的区别

前言：IO的方式通常分为几种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO。现在使用NIO的场景越来越多，很多网上的技术框架或多或少用到了NIO技术，譬如Tomcat、Jetty，还有基于nio的网络编程框架Netty。

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一、什么是NIO？

1.1、高并发量引起的问题

一个使用传统阻塞I/O的系统,如果还是使用传统的一个请求对应一个线程这种模式,一旦有高并发的大量请求,就会有如下问题： 

1、线程不够用, 就算使用了线程池复用线程也无济于事; 

2、阻塞I/O模式下,会有大量的线程被阻塞,一直在等待数据,这个时候的线程被挂起,只能干等,CPU利用率很低,换句话说,系统的吞吐量差; 

3、如果网络I/O堵塞或者有网络抖动或者网络故障等,线程的阻塞时间可能很长。整个系统也变的不可靠;

1.2、NIO简介

Java NIO 全称 java non-blocking IO，是指JDK 1.4 及以上版本提供的新API（New IO）。从 JDK1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，为所有的原始类型（boolean类型除外）提供缓存支持的数据容器，使用它可以提供同步非阻塞式的高伸缩性网络。

NIO 相关类都被放在 java.nio 包及子包下，并且对原 java.io 包中的很多类进行改写。

NIO 有三大核心部分：Channel(通道) ， Buffer(缓冲区) ,Selector(选择器) 。

• NIO 是 面向缓冲区 ，或者面向块编程的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞式的高伸缩性网络

• Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求或者读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。

• 通俗理解：NIO 是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有 10000 个请求过来,根据实际情况，可以分配50 或者 100 个线程来处理。不像之前的阻塞 IO 那样，非得分配 10000 个。

• HTTP2.0 使用了多路复用的技术，做到同一个连接并发处理多个请求，而且并发请求的数量比 HTTP1.1 大了好几个数量级。

I/O multiplexing 这里面的 multiplexing 指的其实是在单个线程通过记录跟踪每一个Sock(I/O流)的状态来同时管理多个I/O流。发明IO多路复用的原因，是尽量提高服务器的吞吐能力。

1.3、NIO 和 BIO 的比较

• BIO 以流的方式处理数据,而 NIO 以块的方式处理数据,块 I/O 的效率比流 I/O 高很多。

• BIO 是阻塞的，NIO 则是非阻塞的。

• BIO基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel(通道)和 Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择器)用于监听多个通道的事件（比如：连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道 。

1.4、怎么理解IO是面向流的、阻塞的

java1.4以前的io模型，一连接对一个线程。

原始的IO是面向流的，不存在缓存的概念。Java IO面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区

Java IO的各种流是阻塞的，这意味着当一个线程调用read或 write方法时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入，该线程在此期间不能再干任何事情了。

阻塞I/O模型

 1.5、怎么理解NIO是面向块的、非阻塞的

NIO是面向缓冲区的。数据读取到一个它稍后处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性。

Java NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。 非阻塞写也是如此，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。

通俗理解：NIO是可以做到用一个线程来处理多个操作的。假设有10000个请求过来,根据实际情况，可以分配50或者100个线程来处理。不像之前的阻塞IO那样，非得分配10000个。

1.6、 NIO 三大核心原理示意图

一张图描述 NIO 的 Selector 、 Channel 和 Buffer 的关系

• 每个channel 都会对应一个Buffer。

• Selector 对应一个线程， 一个线程对应多个channel(连接)。

• 该图反应了有三个channel 注册到 该selector

• 程序切换到哪个channel 是由事件决定的, Event 就是一个重要的概念

• Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换

• Buffer 就是一个内存块 ， 底层是有一个数组

• 数据的读取写入是通过Buffer, 这个和BIO不同 , BIO 中要么是输入流，或者是输出流，不能双向，但是NIO的Buffer 是可以读也可以写, 需要 flip 方法切换

• channel 是双向的, 可以返回底层操作系统的情况, 比如Linux ， 底层的操作系统通道就是双向的.

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二、NIO的核心实现

在标准IO API中，你可以操作字节流和字符流，但在新IO中，你可以操作通道和缓冲，数据总是从通道被读取到缓冲中或者从缓冲写入到通道中。

NIO核心API Channel, Buffer, Selector

2.1、通道Channel

NIO的通道类似于流，但有些区别如下：

1. 通道可以同时进行读写，而流只能读或者只能写

2. 通道可以实现异步读写数据

3. 通道可以从缓冲读数据，也可以写数据到缓冲: 

可以从通道读取数据到缓冲区，也可以把缓冲区的数据写到通道中

 2.2、缓存Buffer

缓冲区（Buffer）：缓冲区本质上是一个可以读写数据的内存块，可以理解成是一个容器对象(含数组)，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，，缓冲区对象内置了一些机制，能够跟踪和记录缓冲区的状态变化情况。Channel 提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读取或写入的数据都必须经由 Buffer。如下图：、

 缓冲区本质上是一个可以写入数据的内存块，然后可以再次读取，该对象提供了一组方法，可以更轻松地使用内存块，使用缓冲区读取和写入数据通常遵循以下四个步骤：

1. 写数据到缓冲区；

2. 调用buffer.flip()方法；

3. 从缓冲区中读取数据；

4. 调用buffer.clear()或buffer.compat()方法；

当向buffer写入数据时，buffer会记录下写了多少数据，一旦要读取数据，需要通过flip()方法将Buffer从写模式切换到读模式，在读模式下可以读取之前写入到buffer的所有数据，一旦读完了所有的数据，就需要清空缓冲区，让它可以再次被写入。

Buffer在与Channel交互时，需要一些标志:

buffer的大小/容量 - Capacity

作为一个内存块，Buffer有一个固定的大小值，用参数capacity表示。

当前读/写的位置 - Position​

当写数据到缓冲时，position表示当前待写入的位置，position最大可为capacity – 1；当从缓冲读取数据时，position表示从当前位置读取。

信息末尾的位置 - limit

在写模式下，缓冲区的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据； 写模式下，limit等于Buffer的capacity，意味着你还能从缓冲区获取多少数据。

下图展示了buffer中三个关键属性capacity，position以及limit在读写模式中的说明：

buffer中三个关键属性capacity，position以及limit在读写模式中的说明
 

缓冲区常用的操作

向缓冲区写数据：

    1. 从Channel写到Buffer；

    2. 通过Buffer的put方法写到Buffer中；

从缓冲区读取数据：

    1. 从Buffer中读取数据到Channel；

    2. 通过Buffer的get方法从Buffer中读取数据；

flip方法：

     将Buffer从写模式切换到读模式，将position值重置为0，limit的值设置为之前position的值；

clear方法 vs compact方法：

       clear方法清空缓冲区；compact方法只会清空已读取的数据，而还未读取的数据继续保存在Buffer中；

2.3、Selector

一个组件，可以检测多个NIO channel，看看读或者写事件是否就绪。多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector，从而达到用一个线程处理多个请求成为可能。

• Java 的 NIO，用非阻塞的 IO 方式。可以用一个线程，处理多个的客户端连接，就会使用到Selector(选择器)。

• Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生(注意:多个Channel以事件的方式可以注册到同一个Selector)，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的处理。这样就可以只用一个单线程去管理多个通道，也就是管理多个连接和请求。

• 只有在 连接/通道 真正有读写事件发生时，才会进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

一个thread对应多个channel,一个channel处理一个请求。

当你调用Selector的select()或者selectNow() 方法它只会返回有数据读取的SelectableChannel的实例.
 

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三、nio、bio和aio的区别

BIO （Blocking I/O）：同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。这里使用那个经典的烧开水例子，这里假设一个烧开水的场景，有一排水壶在烧开水，BIO的工作模式就是， 叫一个线程停留在一个水壶那，直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。但是实际上线程在等待水壶烧开的时间段什么都没有做。

NIO （New I/O）：同时支持阻塞与非阻塞模式，但这里我们以其同步非阻塞I/O模式来说明，那么什么叫做同步非阻塞？如果还拿烧开水来说，NIO的做法是叫一个线程不断的轮询每个水壶的状态，看看是否有水壶的状态发生了改变，从而进行下一步的操作。

AIO （ Asynchronous I/O）：异步非阻塞I/O模型。异步非阻塞与同步非阻塞的区别在哪里？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。对应到烧开水中就是，为每个水壶上面装了一个开关，水烧开之后，水壶会自动通知我水烧开了。

进程中的IO调用步骤大致可以分为以下四步：

进程向操作系统请求数据 ;

操作系统把外部数据加载到内核的缓冲区中;

操作系统把内核的缓冲区拷贝到进程的缓冲区 ;

进程获得数据完成自己的功能 ;

当操作系统在把外部数据放到进程缓冲区的这段时间（即上述的第二，三步），如果应用进程是挂起等待的，那么就是同步IO，反之，就是异步IO，也就是AIO 。

BIO、NIO、AIO适用场景分析:

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，但程序直观简单易理解。

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，JDK1.4开始支持。

AIO方式适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。

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四、Netty是什么？

netty 是一个基于nio的客户、服务器端编程框架，netty提供异步的，事件驱动的网络应用程序框架和工具，可以快速开发高可用的客户端和服务器。netty是基于nio的，它封装了jdk的nio，让我们使用起来更加方便灵活。Dubbo底层就是用Netty实现的。

netty是由jboss提供的一款开源框架，常用于搭建RPC中的TCP服务器、WebSocket服务器，甚至是类似Tomcat的web服务器，反正就是各种网络服务器，在处理高并发的项目中，有奇用！功能丰富且性能良好，基于Java中NIO的二次封装，具有比原生NIO更好更稳健的体验。

 官网给出的Netty底层示意图：Netty用到了零拷贝技术

NIO的优势：

传统IO中，每创建一个连接都要创建一个线程来维护，极大地浪费资源和增加服务器的压力，传统IO线程切换效率低下，而且传统IO是面向字节流的，一次性只能从流中读取一个或者多个字节，并且读完之后流无法再读取，你需要自己缓存数据。效率不高。

NIO模型中，每个新连接进来，不是创建一个新线程，而是将连接绑定到一个selector中，然后这条连接的读写都由这个selector来管理，因为每个线程都会管理着一批连接，充分利用了资源和提高了效率，NIO是面向buffer的，可以随意读取里面任何一个字节数据，不需要你自己缓存数据，这一切只需要移动读写指针即可。

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五、常见的IO多路复用模型：select，poll，epoll

select，poll，epoll都是IO多路复用的机制。I/O多路复用就通过一种机制，可以监视多个描述符，一旦某个描述符就绪（一般是读就绪或者写就绪），能够通知程序进行相应的读写操作。但select，poll，epoll本质上都是同步I/O，因为他们都需要在读写事件就绪后自己负责进行读写，也就是说这个读写过程是阻塞的，而异步I/O则无需自己负责进行读写，异步I/O的实现会负责把数据从内核拷贝到用户空间。  

epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里都能够支持，其中epoll是Linux所特有，而select则应该是POSIX所规定，一般操作系统均有实现

(1) select==>时间复杂度O(n)

它仅仅知道了，有I/O事件发生了，却并不知道是哪那几个流（可能有一个，多个，甚至全部），我们只能无差别轮询所有流，找出能读出数据，或者写入数据的流，对他们进行操作。所以select具有O(n)的无差别轮询复杂度，同时处理的流越多，无差别轮询时间就越长。

 单个进程可监视的fd数量被限制，即能监听端口的大小有限。一般来说这个数目和系统内存关系很大，具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

(2) poll==>时间复杂度O(n)

poll本质上和select没有区别，它将用户传入的数组拷贝到内核空间，然后查询每个fd对应的设备状态， 但是它没有最大连接数的限制，原因是它是基于链表来存储的替换原有fd_set数据结构

(3) epoll==>时间复杂度O(1)

epoll可以理解为event poll，不同于忙轮询和无差别轮询，epoll会把哪个流发生了怎样的I/O事件通知我们。所以我们说epoll实际上是事件驱动（每个事件关联上fd）的，此时我们对这些流的操作都是有意义的。（复杂度降低到了O(1)）

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参考链接：

真正理解NIO

什么还不懂Java NIO，看这一篇博客就够了！