聊聊BIO NIO AIO的区别

前言：简单说说I/O

在计算机系统中I/O就是输入（Input）和输出(Output)的意思，针对不同的操作对象，可以划分为磁盘I/O模型，网络I/O模型，内存映射I/O, Direct I/O、数据库I/O等，只要具有输入输出类型的交互系统都可以认为是I/O系统，也可以说I/O是整个操作系统数据交换与人机交互的通道，这个概念与选用的开发语言没有关系，是一个通用的概念。

在如今的系统中I/O却拥有很重要的位置，现在系统都有可能处理大量文件，大量数据库操作，而这些操作都依赖于系统的I/O性能，也就造成了现在系统的瓶颈往往都是由于I/O性能造成的。因此，为了解决磁盘I/O性能慢的问题，系统架构中添加了缓存来提高响应速度；或者有些高端服务器从硬件级入手，使用了固态硬盘（SSD）来替换传统机械硬盘；在大数据方面，Spark越来越多的承担了实时性计算任务，而传统的Hadoop体系则大多应用在了离线计算与大量数据存储的场景，这也是由于磁盘I/O性能远不如内存I/O性能而造成的格局（Spark更多的使用了内存，而MapReduece更多的使用了磁盘）。因此，一个系统的优化空间，往往都在低效率的I/O环节上，很少看到一个系统CPU、内存的性能是其整个系统的瓶颈。也正因为如此，Java在I/O上也一直在做持续的优化，从JDK 1.4开始便引入了NIO模型，大大的提高了以往BIO模型下的操作效率。

进程中的IO调用步骤大致可以分为以下四步：

1. 进程向操作系统请求数据 ;
2. 操作系统把外部数据加载到内核的缓冲区中;
3. 操作系统把内核的缓冲区拷贝到进程的缓冲区 ;
4. 进程获得数据完成自己的功能 ;

关键词：同步阻塞 同步非阻塞 异步阻塞

BIO

什么是BIO？

BIO：(blocking I/O) 同步阻塞I/O模式，JDK1.4以前的唯一选择。数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。

服务器实现模式为一个连接一个线程，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。

例：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。

BIO的特点

同步阻塞I/O。这是最基本与简单的I/O操作方式，其根本特性是做完一件事再去做另一件事，一件事一定要等前一件事做完，这很符合程序员传统的开发思想，因此BIO模型的程序开发起来较为简单，易于把握。

但是BIO如果需要同时做很多事情（例如同时读很多文件，处理很多tcp请求等），就需要系统创建很多线程来完成对应的工作，因为BIO模型下一个线程同时只能做一个工作，如果线程在执行过程中依赖于需要等待的资源，那么该线程会长期处于阻塞状态，我们知道在整个操作系统中，线程是系统执行的基本单位，在BIO模型下的线程 阻塞就会导致系统线程的切换，从而对整个系统性能造成一定的影响。当然如果我们只需要创建少量可控的线程，那么采用BIO模型也是很好的选择，但如果在需要考虑高并发的web或者tcp服务器中采用BIO模型就无法应对了，如果系统开辟成千上万的线程，那么CPU的执行时机都会浪费在线程的切换中，使得线程的执行效率大大降低。此外，关于线程这里说一句题外话，在系统开发中线程的生命周期一定要准确控制，在需要一定规模并发的情形下，尽量使用线程池来确保线程创建数目在一个合理的范围之内，切莫编写线程数量创建上限的代码。

NIO

什么是NIO？

NIO：(non-blocking I/O) 支持阻塞与非阻塞模式，JDK1.4开始支持。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？

服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器Selector上，多路复用器轮询到连接有I/O请求时才启动一个线程进行处理。

例：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。

NIO的特点

同步非阻塞I/O。关于NIO，国内有很多技术博客将英文翻译成No-Blocking I/O，非阻塞I/O模型 ，当然这样就与BIO形成了鲜明的特性对比。NIO本身是基于事件驱动的思想来实现的，其目的就是解决BIO的大并发问题，在BIO模型中，如果需要并发处理多个I/O请求，那就需要多线程来支持，NIO使用了多路复用器机制，以socket使用来说，多路复用器通过不断轮询各个连接的状态，只有在socket有流可读或者可写时，应用程序才需要去处理它，在线程的使用上，就不需要一个连接就必须使用一个处理线程了，而是只是有效请求时（确实需要进行I/O处理时），才会使用一个线程去处理，这样就避免了BIO模型下大量线程处于阻塞等待状态的情景。

NIO抽象出了新的通道（Channel）作为输入输出的通道，并且提供了缓存（Buffer）的支持，在进行读操作时，需要使用Buffer分配空间，然后将数据从Channel中读入Buffer中，对于Channel的写操作，也需要现将数据写入Buffer，然后将Buffer写入Channel中。

新的IO操作不再面向 Stream来进行操作了，改为了通道Channel，并且使用了更加灵活的缓存区类Buffer，Buffer只是缓存区定义接口， 根据需要，我们可以选择对应类型的缓存区实现类。在java NIO编程中，我们需要理解以下3个对象Channel、Buffer和Selector。

• Channel
  首先说一下Channel，国内大多翻译成“通道”。Channel和IO中的Stream(流)是差不多一个等级的。只不过Stream是单向的，譬如：InputStream, OutputStream。而Channel是双向的，既可以用来进行读操作，又可以用来进行写操作，NIO中的Channel的主要实现有：FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel；通过看名字就可以猜出个所以然来：分别可以对应文件IO、UDP和TCP（Server和Client）。

• Buffer
  NIO中的关键Buffer实现有：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、 FloatBuffer、IntBuffer、 LongBuffer,、ShortBuffer，分别对应基本数据类型: byte、char、double、 float、int、 long、 short。当然NIO中还有MappedByteBuffer, HeapByteBuffer, DirectByteBuffer等这里先不具体陈述其用法细节。

• Selector
  Selector 是NIO相对于BIO实现多路复用的基础，Selector 运行单线程处理多个 Channel，如果你的应用打开了多个通道，但每个连接的流量都很低，使用 Selector 就会很方便。例如在一个聊天服务器中。要使用 Selector , 得向 Selector 注册 Channel，然后调用它的 select() 方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新的连接进来、数据接收等。

AIO

什么是AIO？

AIO：(Asynchronous I/O) 异步非阻塞I/O模型，JDK1.7开始支持。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。

服务器实现模式为一个有效请求一个线程，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进行处理。

例：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。

AIO的特点

异步非阻塞I/O。Java AIO就是Java作为对异步IO提供支持的NIO.2 ，Java NIO2 (JSR 203)定义了更多的 New I/O APIs， 提案2003提出，直到2011年才发布， 最终在JDK 7中才实现。JSR 203除了提供更多的文件系统操作API(包括可插拔的自定义的文件系统)， 还提供了对socket和文件的异步 I/O操作。 同时实现了JSR-51提案中的socket channel全部功能,包括对绑定， option配置的支持以及多播multicast的实现

BIO NIO AIO 的使用场景

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，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。

并发连接数不多时采用BIO，因为它编程和调试都非常简单，但如果涉及到高并发的情况，应选择NIO或AIO，更好的建议是采用成熟的网络通信框架Netty。

小结

IO实质上与线程没有太多的关系，但是不同的IO模型改变了应用程序使用线程的方式，NIO与AIO的出现解决了很多BIO无法解决的并发问题，当然任何技术抛开适用场景都是耍流氓，复杂的技术往往是为了解决简单技术无法解决的问题而设计的，在系统开发中能用常规技术解决的问题，绝不用复杂技术，否则大大增加系统代码的维护难度，学习IT技术不是为了炫技，而是要实实在在解决问题。