关于IO、NIO、BIO、AIO必知二三事

一、IO介绍

1.1 认识IO

IO 全称 Input / Output ，输入输出。
传统的IO操作大致可以分为4种类型：

• InputStream、OutputStream 基于字节操作的IO
• Writer、Reader基于字符操作的IO
• File基于磁盘操作的IO
• Socket 基于网络操作的IO

1.2 关于IO的操作

见文章 详解字节流和字符流

二、关于同步和异步、阻塞和非阻塞

2.1 同步和异步、阻塞和非阻塞 概念

同步：就是发出一个调用时，没有得到返回结果时，调用不会返回。一旦得到返回，调用就获得返回结果了。

异步：发出调用之后，调用者不会立刻得到结果。而是通知被调用者去处理，被调用者会通过一定的方式来返回一个通知。

阻塞：指调用时，调用结果返回之前，当前线程会被挂起，直到得到返回结果。

非阻塞：指调用时，即使没有立刻得到结果，该线程也会返回，而不是被挂起。

2.2 同步和异步、阻塞和非阻塞的组合

组合描述

三、BIO、NIO、AIO

3.1 BIO、NIO、AIO 简介

3.1.1 BIO

BIO：同步阻塞，服务器实现模式是一个连接一个线程。即客户端连接请求时，服务器就需要启动一个线程。当此连接阻塞时，会造成不必要的线程开销。JDK1.4之前唯一选择，在java.io包。
优点：可靠的调用顺序，代码简单、直观。
缺点：I/O效率低，扩展性差，容易成为应用的性能瓶颈。
适用场景：适用于连接数目小且固定的架构，此方式对服务器资源要求高。

3.1.2 NIO

NIO：同步非阻塞，服务器实现模式是一个连接一个线程。即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才会启动一个线程处理。该方式提供了一些新抽象Channel、Selector、Buffer。JDK1.4之后开始支持。
优点：效率和性能都有所提升。
缺点：并发局限于应用中，编程比较复杂。
适用：适用于连接数目多且连接短（轻操作）的架构。如聊天服务器。

3.1.3 AIO

AIO：异步非阻塞，服务器实现模式是一个有效连接一个线程。即客户端的I/O请求都是由OS先完成了再通知服务器应用去启动线程处理。JDK1.7开始支持。
优点：充分调用OS参与并发操作
缺点：编程复杂。
适用场景：连接数数目多且连接比较长（重操作）的架构。如相册服务器。

3.2 补充NIO知识

补充NIO的三个核心概念，Buffer（缓冲区），Channel（通道），Selector（选择器）

3.2.1 Buffer（缓冲区）

Buffer是一个对象，包含一些要写入或读出的数据。
在NIO中，所有的数据都是用缓冲区处理的。

缓冲区实质就是一个数组，通常是一个字节数组（ByteBuffer），还有其他数据类型的数组。大那是一个缓冲区不仅仅是一个数组，缓冲区提供了对数结构化访问以及维护读写位置等信息。

缓冲区类型如下：

• ByteBuffer：字节缓冲区
• CharBuffer:字符缓冲区
• ShortBuffer：短整型缓冲区
• IntBuffer：整型缓冲区
• LongBuffer:长整型缓冲区
• FloatBuffer：浮点型缓冲区
• DoubleBuffer：双精度浮点型缓冲区

3.2.2 通道（Channel）

Channel 是一个通道，可以通过它读取和写入数据。
通道和流不同之处在于通道是双向的，流只在一个方向移动，而且通道可以用于读、写或同时用于读写。通道时全双工的。

Channel有四种实现：

• FileChannel:是从文件中读取数据。
• DatagramChannel:从UDP网络中读取或者写入数据。
• SocketChannel:从TCP网络中读取或者写入数据。
• ServerSocketChannel:允许你监听来自TCP的连接，就像服务器一样。每一个连接都会有一个SocketChannel产生。

3.2.3 多路复用器Selector

Selector选择器可以监听多个Channel通道，实现一个线程管理多个Channel，节省线程切换上下文的资源消耗，
Selector 只能管理非阻塞的通道，FileChannel是阻塞的，无法管理。

关键对象
Selector：选择器对象，通道注册、通道监听对象和Selector相关。
SelectorKey：通道监听关键字，通过它来监听通道状态。

监听注册
监听注册在Selector
socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);

监听的事件
OP_ACCEPT: 接收就绪，serviceSocketChannel使用的
OP_READ: 读取就绪，socketChannel使用
OP_WRITE: 写入就绪，socketChannel使用
OP_CONNECT: 连接就绪，socketChannel使用

Netty 是最流行的一种NIO开源框架，此外还有Dubbo，Zookeeper，Jetty，Mina都是基于NIO实现的。