【Java基础】BIO/NIO/AIO的详细介绍与比较区分

1 基本概念

1.1 BIO

BIO 全称 Blocking I/O，它是 JDK 1.4 之前的传统IO模型，是一种同步阻塞的IO，线程发起 IO 后，一直阻塞，直到缓冲区数据就绪后，在进入下一步操作

• BIO存在的问题：
  • 无法应对高并发的场景
  • 连接建立后，当前线程没有数据可读就会阻塞，造成资源浪费
• BIO适用场景：
  • 客户端连接数少
  • 并发量不高

1.2 NIO

NIO 全称 Non-Blocking I/O，也有人称之为 New /0，它是JDK 1.4 中引入的一种同步非阻塞的 I/O 模型。线程发起IO后、用户线程不需要一直等待IO缓冲区，期间可以做其他操作，只需要轮询检查IO缓冲区数据是否就绪即可。

• NIO是基于Reactor反应堆模式实现的，分为三步：
  • 注册感兴趣的事件
  • 扫描是否有感兴趣的事情发生
  • 事件发生后做出相应的处理
• NIO的三大核心组件
  • Channel通道：应用程序和操作系统交互事件、传递数据的通道，Channel是基于Buffer缓冲区的异步的双向的数据读写通道，即可以从Buffer中读取数据，也可以向Buffer中写入数据。所有被Selector注册的通道，都只能是继承了SelectableChannel类的子类，类型有：
    • FileChannel：本地文件的读取、写入、映射和操作的通道
    • DatagramChannel：实现发送和接收UDP协议数据包的通道
    • SocketChannel：应用服务程序的监听通道，被Channel包装的ServerSocket
    • ServerSocketChannel：TCP Socket的监听通道，被Channel包装的Socket
  • Buffer缓冲区： Buffer 缓冲区，主要用于和 Channel 进行交互。以写为例，应用程序先将数据写入缓冲区，再通过通道把缓冲区的数据发送出去;读也是一样，数据先从通道读到缓冲区，应用程序再读取缓冲区的数据。Buffer 缓冲区本质上是一个字节数组，Buffer 读写数据一般遵循如下步骤:
    1. 写数据到 Buffer 缓冲;
    2. 调用 flip()方法将 Buffer 从写模式切换到读模式
    3. 从Buffer 中读取数据
    4. 调用 clear()方法或者 compact() 方法清理数据，准备下一次的写入

类型有：ByteBuffer，CharBuffer, DoubleBuffer, FloatBuffer, IntBuffer，LongBuffer,ShortBuffer; 此外还有 MappedByteBuffer，HeapByteBuffer，DirectByteBuffer 等。

• **Selector选择器或者多路复用器：**要实现 Selector 管理 Channel，首先需要将 Channel 及其关注的事件注册在Selector 上，Selector 会不断轮询出就绪状态的 Channel 关注的事件集合，进而做相应的业务处理。通常情况下，一个线程会开启一个 Selector，而一个 Selector 可以管理多个 Channel，也就是说，一个线程就可以管理多个网络连接，即所谓的多路复用。
• NIO适用场景：
  • 客户端连接数较多
  • 连接时间较短

1.3 AIO

AIO 全称 Asynchronous I/O，它是一种 JDK 1.7 开始支持异步非阻塞的 /0 模型。线程发起 0 请求后，不需要阻塞，立即返回异步IO操作完成后会回调通知调用方。但是，很遗憾的是，现在的IO模型使用最多的仍然是 NIO，原因很简单:Linux 系统上Java AlO 和 NIO 的底层都是基于 epoll 实现的，性能上 AIO 相比较 NIO 并没有得到很大的提升，另外，AIO 采用了异步回调、编程方式上比 NIO 要更复杂!

3 BIO/NIO/AIO的使用场景区分

使用场景如下:

• BIO适用于连接数较少的场景
• NIO适用于连接数目多且连接时间较短的架构，比如聊天服务器·
• AIO适用于连接数目多且连接时间较长的架构，比如相册服务器

2 BIO和NIO的区别

BIO和NIO最大的区别并不是NIO比BIO执行速度快，而是NIO可以单个线程处理更多的连接

• 面向流和面向缓冲区
  • Java BlO 是面向流的。每次从流中读取一个或多个字节，直至读取所有字节，它没有被缓存在任何地方，而且不能前后移动流中的数据
  • Java 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0的灵活性
• 阻塞I/O和非阻塞I/O
  • Java BIO 是基于传统的I/O模型的，当一个线程调用 read()或 write()时，该线程就会被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全被写入，期间不做任何事情

Java NIO 采用的是非阻塞模式，当一个线程向某通道发送请求读取数据时，它仅能读取到目前可用的数据，如果目前没有数据可读，该线程并不会保持阻塞，而是在数据变可读之前，它可以继续处理其他事情。 非阻塞写也是如此，当一个线程请求写数据到某通道时，不需要等待它完全写入，该线程可以同时去处理其他事情

• 客户端连接盒服务端线程的对应关系
  • Java BIO：一个连接一个线程，客户端有连接请求时服务器就启动一个线程进行处理

• Java NIO：一个线程可以处理多个连接请求，客户段发送的请求会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就会进行处理