IO模式精讲总结

一、IO模型概述

Java中的IO模型主要分为BIO（同步阻塞IO）、NIO（同步非阻塞IO）和AIO（异步非阻塞IO）三种。它们分别适用于不同的业务场景，理解其核心机制对高性能网络编程至关重要。

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二、BIO：同步阻塞IO

1. 核心机制

BIO基于“一连接一线程”模型，服务端通过ServerSocket监听端口，客户端通过Socket发起连接。当服务端调用accept()或read()时，线程会阻塞直至数据就绪。

2. 代码示例

服务端代码片段：

ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9999);
Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞
InputStream is = socket.getInputStream();
BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(is));
String msg = br.readLine(); // 阻塞直至数据到达

客户端代码片段：

Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9999);
PrintStream ps = new PrintStream(socket.getOutputStream());
ps.println("Hello BIO!");
ps.flush();

3. 优缺点分析

• 优点：编程简单，适合低并发场景。
• 缺点：线程资源消耗大，高并发时易导致线程栈溢出。

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三、NIO：同步非阻塞IO

1. 核心组件

NIO的三大核心为通道（Channel）、缓冲区（Buffer）和选择器（Selector）：

• Channel：双向通信管道，替代BIO的单向流。
• Buffer：数据存储容器，支持高效读写。
• Selector：多路复用器，单线程管理多个Channel的事件。

2. 工作机制

通过Selector.select()监听事件，实现非阻塞IO。服务端仅需一个线程即可处理多个连接请求，显著提升性能。

服务端代码片段：

ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(9090));
Selector selector = Selector.open();
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select(); // 事件监听
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();
    while (iter.hasNext()) {
        SelectionKey key = iter.next();
        if (key.isAcceptable()) {
            // 处理连接事件
        } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读事件
        }
        iter.remove();
    }
}

3. Buffer操作流程

1. 写入数据：buffer.put(data)
2. 切换为读模式：buffer.flip()
3. 读取数据：buffer.get()
4. 清空缓冲区：buffer.clear()

示例：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
buffer.put("Hello NIO".getBytes());
buffer.flip();
while (buffer.hasRemaining()) {
    System.out.print((char) buffer.get());
}

4. 适用场景

适用于高并发短连接场景（如聊天服务器）。

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四、AIO：异步非阻塞IO

1. 核心机制

AIO基于操作系统级别的异步通知机制，IO操作由OS完成后回调通知应用，无需线程阻塞。核心类包括AsynchronousServerSocketChannel和CompletionHandler。

2. 代码示例

AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress(9090));
server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Void attachment) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
            @Override
            public void completed(Integer result, ByteBuffer buf) {
                System.out.println("收到数据：" + new String(buf.array()));
            }
        });
    }
});

3. 适用场景

适合长连接、重操作场景（如文件服务器），但实际应用中因编程复杂度和兼容性问题，使用较少。

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五、三种IO模型对比

特性	BIO	NIO	AIO
阻塞性	同步阻塞	同步非阻塞	异步非阻塞
线程模型	一连接一线程	单线程多路复用	回调通知机制
适用场景	低并发、简单业务	高并发短连接（如IM系统）	高并发长连接（如文件传输）
编程复杂度	简单	复杂	复杂
JDK支持	JDK1.0	JDK1.4	JDK1.7

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六、总结

1. BIO：适合快速原型开发，但需避免用于高并发场景。
2. NIO：Netty等框架的底层实现，推荐用于高性能服务器开发。
3. AIO：在特定场景下性能优异，但需评估框架支持度。