BIO、NIO、AIO 有什么区别？

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本文深入探讨了Java中的BIO、NIO和AIO三种IO模型，详细解释了同步与异步、阻塞与非阻塞的概念，并通过生活中的例子形象地阐述了它们的区别。在BIO模型中，每个连接都需要一个线程处理，而NIO通过Selector实现了非阻塞I/O，允许单线程处理多个连接。AIO则进一步提供了异步非阻塞的I/O操作。文章还给出了代码示例，展示了BIO和NIO在服务端的实现。然而，由于NIO编程复杂，存在空轮询bug等问题，实践中更多采用Netty等框架来解决这些问题。

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BIO、NIO、AIO 有什么区别？

Java 中的 BIO、NIO和 AIO 理解为是 Java 语言对操作系统的各种 IO 模型的封装。程序员在使用这些 API 的时候，不需要关心操作系统层面的知识，也不需要根据不同操作系统编写不同的代码。只需要使用Java的API就可以了。

在讲 BIO,NIO,AIO 之前先来回顾一下这样几个概念：同步与异步，阻塞与非阻塞。

同步与异步

同步：同步就是发起一个调用后，被调用者未处理完请求之前，调用不返回。
异步：异步就是发起一个调用后，立刻得到被调用者的回应表示已接收到请求，但是被调用者并没有返回结果，此时我们可以处理其他的请求，被调用者通常依靠事件，回调等机制来通知调用者其返回结果。

同步和异步的区别最大在于异步的话调用者不需要等待处理结果，被调用者会通过回调等机制来通知调用者其返回结果。

阻塞和非阻塞

阻塞：阻塞就是发起一个请求，调用者一直等待请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
非阻塞：非阻塞就是发起一个请求，调用者不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情。

那么同步阻塞、同步非阻塞和异步非阻塞又代表什么意思呢？

举个生活中简单的例子，你妈妈让你烧水，小时候你比较笨啊，在哪里傻等着水开（同步阻塞）。等你稍微再长大一点，你知道每次烧水的空隙可以去干点其他事，然后只需要时不时来看看水开了没有（同步非阻塞）。后来，你们家用上了水开了会发出声音的壶，这样你就只需要听到响声后就知道水开了，在这期间你可以随便干自己的事情，你需要去倒水了（异步非阻塞）。

1. BIO (Blocking I/O)

同步阻塞I/O模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成。

1.1 传统 BIO

BIO通信（一请求一应答）模型图如下(图源网络，原出处不明)：
在这里插入图片描述
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。

我们再设想一下当客户端并发访问量增加后这种模型会出现什么问题？

在 Java 虚拟机中，线程是宝贵的资源，线程的创建和销毁成本很高，除此之外，线程的切换成本也是很高的。尤其在 Linux 这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程，创建和销毁线程都是重量级的系统函数。如果并发访问量增加会导致线程数急剧膨胀可能会导致线程堆栈溢出、创建新线程失败等问题，最终导致进程宕机或者僵死，不能对外提供服务。

1.2 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)：
在这里插入图片描述
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。

1.3 代码示例

下面代码中演示了BIO通信（一请求一应答）模型。我们会在客户端创建多个线程依次连接服务端并向其发送"当前时间+:hello world"，服务端会为每个客户端线程创建一个线程来处理。

客户端

public class IOClient {
    public static void main(String[] args) {
        // TODO 创建多个线程，模拟多个客户端连接服务端
        new Thread(() -> {
            try {
                Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 3333);
                while (true) {
                    try {
                        socket.getOutputStream().write((new Date() + ": hello world").getBytes());
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (Exception e) {
                    
                    }
                }
            } catch (IOException e) {
            
            }
        }).start();
    }
}

服务端

public class IOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // TODO 服务端处理客户端连接请求
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(3333);
        // 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
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    // 阻塞方法获取新的连接
                    Socket socket = serverSocket.accept();
                    // 每一个新的连接都创建一个线程，负责读取数据
                    new Thread(() -> {
                        try {
                            int len;
                            byte[] data = new byte[1024];
                            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
                            // 按字节流方式读取数据
                            while ((len = inputStream.read(data)) != -1) {
                                System.out.println(new String(data, 0, len));
                            }
                        } catch (IOException e) {

                        }
                    }).start();
                } catch (IOException e) {

                }
            }
        }).start();
    }
}

1.4 总结

在活动连接数不是特别高（小于单机1000）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。线程池本身就是一个天然的漏斗，可以缓冲一些系统处理不了的连接或请求。但是，当面对十万甚至百万级连接的时候，传统的 BIO 模型是无能为力的。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。

2. NIO (New I/O)

2.1 NIO 简介

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IO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(BIO)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。

2.2 NIO的特性/NIO与IO区别

NIO（JDK1.4）模型是一种同步非阻塞IO，主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector（多路复用器）。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(多路复用器)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

NIO和传统IO（一下简称IO）之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。 Java IO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。此外，它不能前后移动流中的数据。如果需要前后移动从流中读取的数据，需要先将它缓存到一个缓冲区。NIO的缓冲导向方法略有不同。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的灵活性。但是，还需要检查是否该缓冲区中包含所有您需要处理的数据。而且，需确保当更多的数据读入缓冲区时，不要覆盖缓冲区里尚未处理的数据。

IO的各种流是阻塞的。这意味着，当一个线程调用read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。 NIO的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用的数据，如果目前没有数据可用时，就什么都不会获取。而不是保持线程阻塞，所以直至数据变的可以读取之前，该线程可以继续做其他的事情。非阻塞写也是如此。一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。线程通常将非阻塞IO的空闲时间用于在其它通道上执行IO操作，所以一个单独的线程现在可以管理多个输入和输出通道（channel）。

NIO优点：

通过Channel注册到Selector上的状态来实现一种客户端与服务端的通信。
Channel中数据的读取是通过Buffer , 一种非阻塞的读取方式。
Selector 多路复用器单线程模型，线程的资源开销相对比较

2.3 Channel(通道)

传统IO操作对read()或write()方法的调用，可能会因为没有数据可读/可写而阻塞，直到有数据响应。也就是说读写数据的IO调用，可能会无限期的阻塞等待，效率依赖网络传输的速度。最重要的是在调用一个方法前，无法知道是否会被阻塞。

NIO的Channel抽象了一个重要特征就是可以通过配置它的阻塞行为，来实现非阻塞式的通道。

Channel是一个双向通道，与传统IO操作只允许单向的读写不同的是，NIO的Channel允许在一个通道上进行读和写的操作。

FileChannel:文件
SocketChannel:
ServerSocketChannel:
DatagramChannel: UDP

2.4 Buffer(缓冲区)

Bufer顾名思义，它是一个缓冲区，实际上是一个容器，一个连续数组。Channel提供从文件、网络读取数据的渠道，但是读写的数据都必须经过Buffer。
Buffer(缓冲区)
Buffer缓冲区本质上是一块可以写入数据，然后可以从中读取数据的内存。这块内存被包装成NIO Buffer对象，并提供了一组方法，用来方便的访问该模块内存。为了理解Buffer的工作原理，需要熟悉它的三个属性：capacity、position和limit。

position和limit的含义取决于Buffer处在读模式还是写模式。不管Buffer处在什么模式，capacity的含义总是一样的。见下图：
在这里插入图片描述

capacity：作为一个内存块，Buffer有固定的大小值，也叫作“capacity”，只能往其中写入capacity个byte、long、char等类型。一旦Buffer满了，需要将其清空（通过读数据或者清楚数据）才能继续写数据。
position：当你写数据到Buffer中时，position表示当前的位置。出事的position值为0，当写入一个字节数据到Buffer中后，position会向前移动到下一个可插入数据的Buffer单元。position最大可为capacity-1。当读取数据时，也是从某个特定位置读，讲Buffer从写模式切换到读模式，position会被重置为0。当从Buffer的position处读取一个字节数据后，position向前移动到下一个可读的位置。
limit：在写模式下，Buffer的limit表示你最多能往Buffer里写多少数据。写模式下，limit等于Buffer的capacity。当切换Buffer到读模式时， limit表示你最多能读到多少数据。因此，当切换Buffer到读模式时，limit会被设置成写模式下的position值。换句话说，你能读到之前写入的所有数据（limit被设置成已写数据的数量，这个值在写模式下就是position）

2.5 Selector(多路复用器)

Selector与Channel是相互配合使用的，将Channel注册在Selector上之后，才可以正确的使用Selector，但此时Channel必须为非阻塞模式。Selector可以监听Channel的四种状态（Connect、Accept、Read、Write），当监听到某一Channel的某个状态时，才允许对Channel进行相应的操作。

Connect：某一个客户端连接成功后
Accept：准备好进行连接
Read:可读
Write:可写

2.6 代码示例

客户端 IOClient.java 的代码不变，我们对服务端使用 NIO 进行改造。以下代码较多而且逻辑比较复杂，不建议观看。

public class NIOServer {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1. serverSelector负责轮询是否有新的连接，服务端监测到新的连接之后，不再创建一个新的线程，
        // 而是直接将新连接绑定到clientSelector上，这样就不用 IO 模型中 1w 个 while 循环在死等
        Selector serverSelector = Selector.open();
        // 2. clientSelector负责轮询连接是否有数据可读
        Selector clientSelector = Selector.open();
        new Thread(() -> {
            try {
                // 对应IO编程中服务端启动
                ServerSocketChannel listenerChannel = ServerSocketChannel.open();
                listenerChannel.socket().bind(new InetSocketAddress(3333));
                listenerChannel.configureBlocking(false);
                listenerChannel.register(serverSelector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
                while (true) {
                    // 监测是否有新的连接，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
                    if (serverSelector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> set = serverSelector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey key = keyIterator.next();
                            if (key.isAcceptable()) {
                                try {
                                    // (1)
                                    // 每来一个新连接，不需要创建一个线程，而是直接注册到clientSelector
                                    SocketChannel clientChannel = ((ServerSocketChannel) key.channel()).accept();
                                    clientChannel.configureBlocking(false);
                                    clientChannel.register(clientSelector, SelectionKey.OP_READ);
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException ignored) {
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    // (2) 批量轮询是否有哪些连接有数据可读，这里的1指的是阻塞的时间为 1ms
                    if (clientSelector.select(1) > 0) {
                        Set<SelectionKey> set = clientSelector.selectedKeys();
                        Iterator<SelectionKey> keyIterator = set.iterator();
                        while (keyIterator.hasNext()) {
                            SelectionKey key = keyIterator.next();
                            if (key.isReadable()) {
                                try {
                                    SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
                                    ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
                                    // (3) 面向 Buffer
                                    clientChannel.read(byteBuffer);
                                    byteBuffer.flip();
                                    System.out.println(
                                            Charset.defaultCharset().newDecoder().decode(byteBuffer).toString());
                                } finally {
                                    keyIterator.remove();
                                    key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);
                                }
                            }
                        }
                    }
                }
            } catch (IOException ignored) {

            }
        }).start();
    }
}

为什么大家都不愿意用 JDK 原生 NIO 进行开发呢？从上面的代码中大家都可以看出来，是真的难用！除了编程复杂、编程模型难之外，它还有以下让人诟病的问题：

JDK 的 NIO 底层由 epoll 实现，该实现饱受诟病的空轮询 bug 会导致 cpu 飙升 100%
项目庞大之后，自行实现的 NIO 很容易出现各类 bug，维护成本较高，上面这一坨代码我都不能保证没有 bug

Netty 的出现很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些让人难以忍受的问题。

3. AIO (Asynchronous I/O)

异步非阻塞 I/O（AIO）：是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。
在这里插入图片描述
AIO 是异步IO的缩写，虽然 NIO 在网络操作中，提供了非阻塞的方法，但是 NIO 的 IO 行为还是同步的。对于 NIO 来说，我们的业务线程是在 IO 操作准备好时，得到通知，接着就由这个线程自行进行 IO 操作，IO操作本身是同步的。（除了 AIO 其他的 IO 类型都是同步的）