Java中的I/O模型——BIO、NIO、AIO

ktkiko11

已于 2024-11-07 11:16:27 修改

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分类专栏： Java 文章标签： java nio 服务器

于 2024-11-06 10:59:20 首次发布

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1. BIO（Blocking I/O）

BIO，即“阻塞I/O”（Blocking I/O），是一种同步阻塞的I/O模式。它的主要特点是，当程序发起I/O请求（比如读取数据或写入数据）时，程序会一直等到这个请求完成，才继续往下执行。在BIO模型下，每个连接都需要一个独立的线程去处理。

举个简单的例子：假设你写了一个服务器，它会接收客户端的连接，并与客户端进行数据交流。在BIO模式下，这个服务器每接收一个连接，就需要新创建一个线程来处理该连接的数据读写。这意味着：

这种模型对于连接数量较少且连接时间较短的场景比较合适。但是如果连接数量增多，比如成千上万个连接，BIO模式就显得捉襟见肘了，因为线程数量会迅速增加，系统资源会被大量占用，最终导致性能下降。

在BIO（Blocking I/O）模式中，关键的机制就是“阻塞”。简单来说，阻塞意味着当一个I/O操作（例如读取数据）在进行时，程序会“停下来”直到操作完成才能继续。让我们一步步来看一个BIO服务器的典型工作流程：

等待客户端连接：服务器启动后，会在某个端口上等待客户端的连接请求。
接收连接：当客户端发起连接时，服务器会接收该连接，并创建一个新的线程来处理这个连接。这个线程负责处理客户端发送过来的所有数据，直到连接关闭。
数据读取阻塞：一旦线程开始读取数据，它会进入阻塞状态，直到收到完整的数据或遇到异常。在这期间，线程不能做其他事情。想象成排队买票，一个窗口只能接待一个人，其他人都得等前一个人买完才能上前。
处理数据：当线程收到数据后，它会处理这些数据（例如解析请求、生成响应）。
发送数据阻塞：处理完数据后，线程会将响应发送给客户端。在发送过程中，线程也会被阻塞，直到数据全部发送完毕。
结束连接或继续等待：如果客户端断开连接，线程会关闭。如果客户端保持连接，线程会继续等待下一个数据块的到来。

整个流程看似简单，但每一个连接都占用一个线程。所以，一旦连接数较多，系统资源就会迅速消耗，产生以下问题：

优点

缺点

资源占用高：由于每个连接都需要一个线程来处理，线程数量直接与连接数成正比，导致资源消耗随连接数增加而大幅度提高。
性能瓶颈：线程之间需要竞争CPU时间片，同时可能会导致大量线程进入等待状态（因为阻塞I/O），从而降低CPU的整体利用率。
扩展性差：BIO模型并不适合需要处理大量并发连接的应用场景，比如实时聊天系统或大规模服务器。因为线程数受限于系统资源，过多的线程会拖慢系统响应速度，甚至导致崩溃。

NIO，全称非阻塞I/O（Non-blocking I/O），是Java在1.4版引入的一种新I/O模型，它通过非阻塞机制和多路复用（Selector）来管理大量的连接，目标是提高高并发下的性能。我们分步来看看NIO的特点和工作流程。

非阻塞（Non-blocking）：NIO允许线程在等待I/O操作时不用一直被“卡住”。比如，线程可以发起一个读取请求并立即返回，如果数据未准备好，线程可以先去做其他事，不会阻塞等待。
多路复用（Selector）：NIO通过一个Selector来管理多个通道（Channel）和连接。Selector是一个事件管理器，能在同一线程中监控多个连接的状态，只有当某个连接有数据准备好时才处理该连接。这使得一个线程可以处理多个连接，节省了大量的资源。