Java IO 之 BIO、NIO 和 AIO

一、IO

IO 是 Input 和 Output 二词的缩写，意为输入和输出，直接来说，实现一般的 I/O 是没有什么难度的，但涉及到多线程时，要解决 I/O 的问题就不是一个简单的事情了，会涉及到同步和异步的问题，阻塞和非阻塞的问题。

1.1 同步和异步

同步可以借用多线程来方便理解，多条线程，从字面意思上来看，当他们在同一直线上时，就是同步，反之则是异步。那什么是在同一直线上呢？简单说就是，它们都在处理同时事件，比如同时运行某个函数，调用或修改某个变量。

从这里我们不难看出，同步有时是会产生一些问题的，比如同时修改某个变量。从现实角度来看，这是不可能修改成功的，毕竟是完完全全同时嘛。但是，我们知道计算机的每个 CPU 执行多线程实际并非真的同时干两个事情，它只是将时间分片了，一会儿做这个线程的事情，一会做另外一个线程的事情，由于 CPU 切换任务和执行任务的速度非常非常快，因此从宏观时间尺度上来看，就好像多个线程在同时运行，但实际在微观时间尺度上，它们仍然是单线程的。

多线程

接上面的说，那么计算机的两个线程同时修改某个变量后，必然有一个线程先对这个变量进行修改，另外一个线程再对这个线程进行修改，由于分片数量和执行速度不能保证完完全全相同，所以我们无法预测到底是哪个线程先对这个变量进行的修改，那么这就会产生一系列无法预知的问题。为此，异步操作诞生了！

从程序优化的角度上看，异步操作优于同步操作，但相应地，实现难度会大一些。

1.2 阻塞和非阻塞

最典型的阻塞就是终端等待用户输入，Java 里面使用 Scanner 类时，在不做多线程等处理时，要一直等到用户在终端输入字符后，Scanner 类后面的代码才能运行。而非阻塞呢，在界面编程里面体现的非常明显，窗口的显示实际可以看作是一个大循环，它在每一次循环中都在刷新着窗口，但我们在窗口中的操作并运行一些计算的时候呢，界面也一直都在，它并不会因为我们操作了什么而产生了阻塞，导致窗口没有变化（不刷新）了。

从阻塞和非阻塞的含义上来看，大部分时间我们都希望程序是非阻塞的，因为阻塞的情况下，阻塞处后面的程序无法运行，这就浪费计算机的性能了，等阻塞完之后再执行后面的程序，会产生时间上的消耗，使用户产生延迟感，这是不好的，为了解决这个问题，非阻塞操作产生了！

从程序优化的角度上看，非阻塞操作优于阻塞操作，但相应地，非阻塞的实现难度大一些。

了解了（非）同步和（非）阻塞之后，我们再来看 I/O，根据是否同步和是否阻塞以及按它们出现的时间顺序，主要划分为 3 种 I/O 技术，分别是 BIO、NIO 和 AIO。当然，并不是只有这几种，还有其他的 I/O 类型。

二、BIO

BIO 是 Blocking I/O 的缩写，意为同步阻塞式 I/O，Blocking 是阻塞的意思。

BIO 是最基本的 I/O 处理模式。在这种模式下，当一个 I/O 操作正在进行时，会阻塞其他所有操作，直到这个 I/O 操作完成。这种模式的优点是编程模型简单，适合请求不高并发、任务简单的场景。但是，对于高并发的场景，BIO 可能会导致大量的线程阻塞，消耗大量的系统资源，性能较低。

三、NIO

NIO 是 Non-blocking I/O 的缩写，代表同步非阻塞式 I/O，Non-blocking 是非阻塞意思。

NIO 是对 BIO 的一种改进。在这种模式下，当一个 I/O 操作正在进行时，不会阻塞其他操作。NIO 通过使用 Buffer（缓冲区）和 Channel（通道）进行数据的传输，以及使用 Selector（选择器）进行多路复用，可以同时处理多个客户端的连接和请求。这种模式的优点是可以处理高并发的场景，但是编程模型相对复杂。

下面是 NIO 的主要组件：

Channel（通道）：Channel 是一个可以进行 I/O 操作的连接点。所有的数据都必须通过 Channel 读取或者写入。Channel 的主要实现包括 FileChannel（用于文件 I/O）、DatagramChannel（用于 UDP I/O）和 SocketChannel（用于 TCP I/O）。

Buffer（缓冲区）：Buffer 是一个容器，用于在 Channel 和程序之间传输数据。当我们从 Channel 读取数据时，数据会被读入 Buffer；当我们向 Channel 写入数据时，数据会从 Buffer 写入。

Selector（选择器）：Selector 是一个可以监控多个 Channel 的 I/O 状态（如：连接、读取、写入）的组件。通过 Selector，我们可以使用一个线程来处理多个 Channel 的 I/O 操作。

虽然 NIO 可以处理高并发场景，但当并发数量过大时，由于 NIO 的原理，它仍然会出现类似 BIO 阻塞的情况。

四、AIO

AIO 是 Asynchronous I/O 的缩写，意为异步非阻塞式 I/O，Asynchronous 是异步的意思。按照我们之前说的，这已经属于是效果最好，实现最难的 I/O 了。

AIO 是一种更高级的 I/O 处理模式。在这种模式下，一个 I/O 操作可以在后台异步地进行，当操作完成时，会通知相应的线程进行处理。这种模式的优点是可以处理高并发的场景，并且编程模型相对简单。但是，由于 AIO 是在操作系统级别进行异步操作，所以对操作系统的要求较高。

五、总结

按照时间出现的顺序，分别是 BIO、NIO 和 AIO，按照技术实现难度，分别是 BIO、NIO 和 AIO。总结为下表：

I/O	BIO（同步阻塞式）	NIO（同步非阻塞式）	AIO（异步非阻塞式）
是否同步	否	否	是
是否非阻塞	否	是	是
出现时间	最早	中等	最迟
实现难度	简单	中等	困难
实现效果	差	中等	好
代码维护难度	小	中等	大

这三者的应用场景如下：

• BIO 适用于单线程或少量并发的场景，每个 I/O 操作都会阻塞当前线程；
• NIO 适用于需要处理大量并发连接的场景，一个线程可以同时处理多个 I/O 操作；
• AIO 适用于需要处理大量并发操作且不希望线程阻塞的场景，通过回调函数处理 I/O 操作的完成；

有人就要问了，怎么没有 异步阻塞式 I/O 呢？这是个好问题。

异步阻塞式 I/O 也不是没有，只不过它的叫法与其他的不太一样，它叫做 I/O 多路复用（I/O Multiplexing）。这里不详细展开讲述了，后面会单独出一片文章进行讲解。