I/O 模型BIO、NIO、AIO 的区别

最新推荐文章于 2025-09-16 17:44:10 发布

原创最新推荐文章于 2025-09-16 17:44:10 发布 · 572 阅读

6 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#IO

操作系统专栏收录该内容

12 篇文章

订阅专栏

BIO、NIO、AIO 的区别

在 Java I/O 模型中，BIO（Blocking I/O）、NIO（Non-blocking I/O）、AIO（Asynchronous I/O） 是三种不同的 I/O 处理方式，它们在线程模型、阻塞行为、适用场景等方面有显著差异。以下是详细对比：

1. BIO（Blocking I/O）

特点

同步阻塞：线程在 I/O 操作（如 read()/write()）时会被阻塞，直到数据就绪或操作完成。
1 连接 = 1 线程：每个连接需要一个独立线程处理，高并发时线程开销大。
编程简单：代码直观，适合低并发场景。

工作流程

服务端 accept() 阻塞等待客户端连接。
连接建立后，read() 阻塞等待客户端发送数据。
数据到达后，线程处理请求并返回响应。

代码示例（Java）

// 服务端代码（BIO）
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待连接
    new Thread(() -> {
        InputStream in = clientSocket.getInputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int len = in.read(buffer); // 阻塞等待数据
        System.out.println(new String(buffer, 0, len));
    }).start();
}

缺点

C10K 问题：1 万个连接需要 1 万个线程，线程切换开销大。
资源浪费：线程大部分时间在等待 I/O，CPU 利用率低。

2. NIO（Non-blocking I/O）

特点

同步非阻塞：I/O 操作立即返回，线程不会被阻塞，需轮询检查状态。
多路复用（Multiplexing）：通过 Selector 单线程管理多个连接（基于 epoll/kqueue）。
适合高并发：单线程可处理数万连接。

核心组件

Channel：代替 InputStream/OutputStream，支持非阻塞读写（如 SocketChannel）。
Buffer：数据读写缓冲区（如 ByteBuffer）。
Selector：监听多个 Channel 的事件（如可读、可写）。

工作流程

将 Channel 注册到 Selector，监听感兴趣的事件（如 OP_READ）。
Selector.select() 阻塞等待就绪事件。
遍历就绪的 SelectionKey，处理对应的 I/O 操作。

代码示例（Java NIO）

// 服务端代码（NIO）
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 监听连接事件

while (true) {
    selector.select(); // 阻塞等待就绪事件
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
            SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();
            clientChannel.configureBlocking(false);
            clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 监听读事件
        } else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            channel.read(buffer); // 非阻塞读取
            System.out.println(new String(buffer.array()));
        }
    }
    keys.clear();
}

优点

高并发：单线程可管理大量连接。
低资源消耗：避免线程频繁切换。

缺点

编程复杂：需处理事件循环、缓冲区管理。
仍为同步：数据就绪后仍需线程主动读写。

3. AIO（Asynchronous I/O）

特点

异步非阻塞：I/O 操作由操作系统完成，完成后回调通知应用，线程无需等待。
Proactor 模式：与 Reactor 模式（NIO）不同，AIO 的读写由内核完成。
适合高吞吐：适合文件 I/O 或长连接场景。

核心类

AsynchronousSocketChannel：异步网络通道。
CompletionHandler：回调接口，处理操作结果。

工作流程

发起异步 I/O 操作（如 read()），立即返回。
操作系统完成 I/O 后，回调 CompletionHandler。

代码示例（Java AIO）

// 服务端代码（AIO）
AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open();
server.bind(new InetSocketAddress(8080));

// 异步接收连接
server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Void attachment) {
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        // 异步读取数据
        client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
            @Override
            public void completed(Integer len, ByteBuffer buffer) {
                System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
            }
            @Override
            public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
    }
    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
        exc.printStackTrace();
    }
});
Thread.sleep(Long.MAX_VALUE); // 防止主线程退出

优点

真正异步：线程无需等待 I/O 完成。
高吞吐：适合磁盘 I/O 或长连接。

缺点

实现复杂：回调地狱（可用 Future 缓解）。
操作系统支持有限：Linux AIO 不完善，Windows IOCP 更成熟。

4. 三者的对比

特性	BIO	NIO	AIO
阻塞行为	同步阻塞	同步非阻塞	异步非阻塞
线程模型	1 连接 = 1 线程	单线程管理多连接（多路复用）	回调驱动，无需额外线程
编程复杂度	简单	复杂（需处理事件循环）	复杂（回调嵌套）
性能	低并发可用	高并发（C10K+）	高吞吐（文件/网络 I/O）
适用场景	低并发短连接（如传统 HTTP）	高并发短连接（如即时通讯）	高吞吐长连接（如文件传输）
底层实现	阻塞系统调用（`read()`）	`epoll`/`kqueue`（多路复用）	Linux: `io_uring` Windows: `IOCP`