本文深入探讨了Java中的三种I/O模型：BIO（阻塞I/O）、NIO（非阻塞I/O）和AIO（异步I/O）。介绍了同步与异步、阻塞与非阻塞的概念，并详细阐述了BIO的传统模型与优化后的伪异步IO，以及NIO的核心组件如通道、缓冲区和选择器。NIO的非阻塞特性使其适合高并发场景，而AIO则进一步实现了异步非阻塞的IO操作。文章通过代码示例和模型图帮助理解这三种I/O模型的工作原理及其应用场景。
在说BIO,NIO,AIO 之前先来看这样几个概念：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
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
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。
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。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 。
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：
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（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。
NIO (New I/O)
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与IO区别
- IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的
Java NIO使我们可以进行非阻塞IO操作。比如说，单线程中从通道读取数据到buffer，同时可以继续做别的事情，当数据读取到buffer中后，线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外，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。
Java 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 - IO 面向流(Stream oriented)，而 NIO 面向缓冲区(Buffer oriented)。
Buffer是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在NIO类库中加入Buffer对象，体现了新库与原I/O的一个重要区别。在面向流的I/O中·可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。虽然 Stream 中也有 Buffer 开头的扩展类，但只是流的包装类，还是从流读到缓冲区，而 NIO 却是直接读到 Buffer 中进行操作。
在NIO厍中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的; 在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。 - NIO 通过Channel（通道） 进行读写
通道是双向的，可读也可写，而流的读写是单向的。无论读写，通道只能和Buffer交互。因为 Buffer，通道可以异步地读写。 - NIO有选择器，而IO没有
Selectors(选择器)。
选择器用于使用单个线程处理多个通道。因此，它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。 因此，为了提高系统效率选择器是有用的。
NIO 读数据和写数据方式
通常来说NIO中的所有IO都是从 Channel（通道） 开始的，通道负责传输、buffer负责存储
- 从通道进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据。
- 从通道进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据。
数据读取和写入操作图示：
NIO核心组件简单介绍
NIO 包含下面几个核心的组件：
- Channel(通道)
完全独立的处理器，在高并发下能充分利用cpu资源 - Buffer(缓冲区)
- Selector(选择器)
整个NIO体系包含的类远远不止这三个，只能说这三个是NIO体系的“核心API”
通道的获取
- java针对支持通道的类提供了getChannel()方法
- jdk1.7 中的NIO2 针对各个通道提供了静态方法open()
- jdk1.7 中的NIO2 的Files工具类的newByteChannel()
//利用通道完成文件的复制 （简写流程）
FileInputStream fis = new FileInputStream("");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream("");
//获取通道
FileChannel inchannel = fis.getChannel()；
FileChannel outchannel = fos.getChannel()；
//分配指定大小的缓冲区
ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(1024);
//将通道的数据放入到缓冲区中
while(inchannel.read(buf)!=-1){
buf.flip( );
outchannel.write();
buf.clear(); //清空缓冲区
}
outchannel.close();
inchannel.close();
fos.close();
fis.close();
缓冲区
底层就是数组
- 缓冲区中的四个核心属性：
- capacity：表示缓冲区中最大存储数据的容量，一旦声明不能改变
- limit：界限，表示缓冲区可以操作数据的大小，limit后数据不能进行读写
- position：位置，表示缓冲区正在操作数据的位置
- mark：标记，表示当前position的位置，可以通过reset()恢复到mark位置
- position <= limit <= capacity
- 直接缓冲区和非直接缓冲区
- 非直接缓冲区：通过allocate()方法分配缓冲区，将缓冲区建立在JVM内存中
- 直接缓冲区：通过allocateDirect()，将缓冲区建立在物理内存中，可以提高效率，在堆内存开辟空间
. 使用 JDK 原生 NIO 进行开发，除了编程复杂、编程模型难之外，它还有以下问题：
- 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
NIO代码示例
/* 选择器selector:是selectableChannel的多路复用器，用于监控selectableChannel的IO状况
* 通过执行select()阻塞方法，监听是否有channel准备好
一旦有数据可读，此方法的返回值是SelectionKey的数
*/
public class TestNIO {
//客户端
public void client() throws IOException {
//1.获取通道
SocketChannel channel = SocketChannel.open(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8989));
//2.切换成非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//3.分配指定大小的缓冲区
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); //非直接缓冲
//4.发送数据给服务端
System.out.println("Input: ");
Scanner input = new Scanner(System.in);
String strs = input.next();
while (input.hasNext()) {
String str = input.next();
byteBuffer.put((new Date().toString() + str).getBytes());
byteBuffer.flip(); //切换读取模式
channel.write(byteBuffer); //写到缓冲区
byteBuffer.clear(); //清空缓冲区
}
//5.关闭通道
schannel.close();
}
//服务端
public void server() throws IOException {
//1.获取通道
ServerSocketChannel sChannel = ServerSocketChannel.open();
//2.切换成非阻塞模式
sChannel.configureBlocking(false);
//3.绑定连接
sChannel.bin(new InetSocketAddress(8989))；
//4. 获取选择器
Selector selector = Selector.open();
//5. 将通道注册到选择器上面，并指定“监听接收事件”
sChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
//6. 轮询 选择上面已经准备就绪的事件
while (selector.select() > 0) { //这是一个阻塞方法，一直等待直到有数据可读，返回值是key的数量，以有多个
//7. 获取当前选择器中所有注册的选择键(已就绪的监听事件)
Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator();
while (it.hasNext()) {
//8. 获取准备 就绪 的事件
SelectionKey sk = it.next();
//9. 判断具体是什么事件
if (sk.isAcceptable()) {
//10. 若是 连接事件就绪， 获取客户端连接
SocketChannel channel = sChannel.accept();
//11. 切换非阻塞模式
channel.configureBlocking(false);
//12. 注册到选择器上面
channel.register(selector,SelectionKey.OP_READ);
} else if (sk.isReadable()) {
//13. 若是读就绪 获取通道
SocketChannel Channel = (SocketChannel) sk.channel();
//14. 读取数据
ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int len = 0;
while ((len = Channel.read(byteBuffer)) > 0) {
byteBuffer.flip();
System.out.println(new String(byteBuffer.array(),0,len));
byteBuffer.clear();
}
}
//15. 取消选择键 SelectionKey
it.remove();
}
}
}
}
AIO (Asynchronous I/O)
AIO 也就是 NIO 2，在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步非阻塞的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
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
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