Java NIO和BIO,AIO

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同步异步&阻塞非阻塞

同步和异步关注的是消息通信机制

• 所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。
  换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。
• 而异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。
  换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态.
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

BIO

传统BIO

BIO通信（一请求一应答）模型图如下
采用 BIO 通信模型 的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的连接。
我们一般通过在 while(true) 循环中服务端会调用 accept() 方法等待接收客户端的连接的方式监听请求，请求一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字在这个通信套接字上进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待同当前连接的客户端的操作执行完成， 不过可以通过多线程来支持多个客户端的连接，如上图所示。

如果要让 BIO 通信模型 能够同时处理多个客户端请求，就必须使用多线程（主要原因是 socket.accept()、 socket.read()、 socket.write() 涉及的三个主要函数都是同步阻塞的），也就是说它在接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理，处理完成之后，通过输出流返回应答给客户端，线程销毁。这就是典型的 一请求一应答通信模型 。

我们可以设想一下如果这个连接不做任何事情的话就会造成不必要的线程开销，不过可以通过 线程池机制 改善，线程池还可以让线程的创建和回收成本相对较低。
使用FixedThreadPool 可以有效的控制了线程的最大数量，保证了系统有限的资源的控制，实现了N(客户端请求数量):M(处理客户端请求的线程数量)的伪异步I/O模型（N 可以远远大于 M），下面一节"伪异步 BIO"中会详细介绍到。

伪异步IO

为了解决同步阻塞I/O面临的一个链路需要一个线程处理的问题，后来有人对它的线程模型进行了优化一一一后端通过一个线程池来处理多个客户端的请求接入，形成客户端个数M：线程池最大线程数N的比例关系，其中M可以远远大于N.通过线程池可以灵活地调配线程资源，设置线程的最大值，防止由于海量并发接入导致线程耗尽。

伪异步IO模型图(图源网络，原出处不明)：

采用线程池和任务队列可以实现一种叫做伪异步的 I/O 通信框架，它的模型图如上图所示。
当有新的客户端接入时，将客户端的 Socket 封装成一个Task（该任务实现java.lang.Runnable接口）投递到后端的线程池中进行处理，JDK 的线程池维护一个消息队列和 N 个活跃线程，对消息队列中的任务进行处理。
由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此，它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。

伪异步I/O通信框架采用了线程池实现，因此避免了为每个请求都创建一个独立线程造成的线程资源耗尽问题。不过因为它的底层任然是同步阻塞的BIO模型，因此无法从根本上解决问题。

总结

在活动连接数不是特别高的情况下，这种模型是比较不错的，可以让每一个连接专注于自己的 I/O 并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。
线程池可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。但当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型无能为力。因此，我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

NIO

Reactor的学习
NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。
当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理。

简单来说，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪（引入不必要的CPU资源浪费）

NIO是一种同步非阻塞的I/O模型，在Java 1.4 中引入了NIO框架，对应 java.nio 包，提供了 Channel , Selector，Buffer等抽象。

NIO中的N可以理解为Non-blocking，不单纯是New。
它支持面向缓冲的，基于通道的I/O操作方法。

NIO提供了与传统BIO模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现,两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。
阻塞模式使用就像传统中的支持一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。

NIO的特性（与IO的区别）

NIO 流是非阻塞 IO 而 IO 流是阻塞 IO

面向Stream和面向Buffer

Java NIO和IO之间最大的区别是IO是面向流（Stream）的，NIO是面向块（buffer）的，所以，这意味着什么？

IO是面向流意味着每次从流中读一个或多个字节，直至读取所有字节，它们没有被缓存在任何地方。（这里指的是使用流没有任何缓存，接收或者发送的数据是缓存到操作系统中的，流就像一根水管从操作系统的缓存中读取数据）而且只能顺序从流中读取数据，如果需要跳过一些字节或者再读取已经读过的字节，你必须将从流中读取的数据先缓存起来。

NIO是面向块的处理方式有些不同，数据是先被 读/写到buffer中的，根据需要你可以控制读取什么位置的数据。这在处理的过程中给用户多了一些灵活性，然而，你需要额外做的工作是检查你需要的数据是否已经全部到了buffer中，你还需要保证当有更多的数据进入buffer中时，buffer中未处理的数据不会被覆盖。

阻塞IO和非阻塞IO

所有的Java IO流都是阻塞的，这意味着，当一条线程执行read()或者write()方法时，这条线程会一直阻塞直到读取到了一些数据或者要写出去的数据已经全部写出，在这期间这条线程不能做任何其他的事情

java NIO的非阻塞模式(Java NIO有阻塞模式和非阻塞模式，阻塞模式的NIO除了使用Buffer存储数据外和IO基本没有区别)允许一条线程从channel中读取数据，通过返回值来判断buffer中是否有数据，如果没有数据，NIO不会阻塞，因为不阻塞这条线程就可以去做其他的事情，过一段时间再回来判断一下有没有数据

NIO的写也是一样的，一条线程将buffer中的数据写入channel，它不会等待数据全部写完才会返回，而是调用完write()方法就会继续向下执行

Selectors
Selector 类是NIO 的核心类，Selector 能够检测多个注册的通道上是否有事件发生，如果有事件发生，便获取事件然后针对每个事件进行相应的响应处理。

Java NIO的selectors允许一条线程去监控多个channels的输入，你可以向一个selector上注册多个channel，然后调用selector的select()方法判断是否有新的连接进来或者已经在selector上注册时channel是否有数据进入。
selector的机制让一个线程管理多个channel变得简单。
这样一来，只是用一个单线程就可以管理多个通道，也就是管理多个连接。这样使得只有在连接真正有读写事件发生时，才会调用函数来进行读写，就大大地减少了系统开销，并且不必为每个连接都创建一个线程，不用去维护多个线程，并且避免了多线程之间的上下文切换导致的开销。

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处理数据的方式
在IO的设计里，要一个字节一个字节从InputStream 或者Reader中读取数据，想象你正在处理一个向下面的基于行分割的流

Name:Anna
Age: 25
Email: anna@mailserver.com
Phone:1234567890

处理文本行的流的代码应该向下面这样

InputStream input = ... ; // get the InputStream from the client socket
 
BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(input));
 
String nameLine   = reader.readLine();
String ageLine    = reader.readLine();
String emailLine  = reader.readLine();
String phoneLine  = reader.readLine();

注意，一旦reader.readLine()方法返回，你就可以确定整行已经被读取，readLine()阻塞知道一整行都被读取



NIO的实现会有一些不同，下面是一个简单的例子

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
 
int bytesRead = inChannel.read(buffer);

注意第二行从channel中读取数据到ByteBuffer，当这个方法返回你不知道是否你需要的所有数据都被读到buffer了，你所知道的一切就是有一些数据被读到了buffer中，但是你并不知道具体有多少数据，这使程序的处理变得稍微有些困难
想象一下，调用了read(buffer)方法后，只有半行数据被读进了buffer，例如：“Name: An”，你能现在就处理数据吗？当然不能。你需要等待直到至少一整行数据被读到buffer中，在这之前确保程序不要处理buffer中的数据

你如何知道buffer中是否有足够的数据可以被处理呢？你不知道，唯一的方法就是检查buffer中的数据。可能你会进行几次无效的检查（检查了几次数据都不够进行处理），这会令程序设计变得比较混乱复杂

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(48);
 
int bytesRead = inChannel.read(buffer);
 
while(! bufferFull(bytesRead) ) {
    bytesRead = inChannel.read(buffer);
}

bufferFull方法负责检查有多少数据被读到了buffer中，根据返回值是true还是false来判断数据是否够进行处理。
bufferFull方法扫描buffer但不能改变buffer的内部状态

从内核角度看NIO（？）

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总结

NIO允许你用一个单独的线程或几个线程管理很多个channels（网络的或者文件的），代价是程序的处理和处理IO相比更加复杂

如果你需要同时管理成千上万的连接，但是每个连接只发送少量数据，例如一个聊天服务器，用NIO实现会更好一些，相似的，如果你需要保持很多个到其他电脑的连接，例如P2P网络，用一个单独的线程来管理所有出口连接是比较合适的

如果你只有少量的连接但是每个连接都占有很高的带宽，同时发送很多数据，传统的IO会更适合

AIO

异步非阻塞的IO模型，异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。
异步的套接字通道时真正的异步非阻塞I/O，对应于UNIX网络编程中的事件驱动I/O（AIO）。
他不需要过多的Selector对注册的通道进行轮询即可实现异步读写，从而简化了NIO的编程模型。


当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。 AIO是一个有效请求一个线程。

简单来说，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知。不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。

BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构。
NIO方式适用于连接数目多且连接比较短的架构。
AIO方式使用于连接数目多且连接比较长的架构。