NIO BIO AIO的学习

本文深入解析网络编程核心概念,如Socket、BIO、NIO及AIO,对比同步与异步、阻塞与非阻塞的区别,详述不同编程模式在服务器实现中的应用,适合初学者及进阶者阅读。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

网络编程基础原理

Socket

首先,要明白Socket不是java独有的概念,任何实现网络编程的编程语言都有Socket.

什么是Socket

网络上的两个程序通过一个双向的通信连接实现数据的交换,这个连接的一端称为一个 socket。
建立网络通信连接至少要一个端口号。socket 本质是编程接口(API),对 TCP/IP 的封装, TCP/IP 也要提供可供程序员做网络开发所用的接口,这就是 Socket 编程接口;HTTP 是轿车, 提供了封装或者显示数据的具体形式;Socket 是发动机,提供了网络通信的能力。
Socket 的英文原义是“孔”或“插座”。作为 BSD UNIX 的进程通信机制,取后一种意思。通 常也称作"套接字",用于描述 IP 地址和端口,是一个通信链的句柄,可以用来实现不同虚 拟机或不同计算机之间的通信。

Socket 连接步骤

根据连接启动的方式以及本地套接字要连接的目标,套接字之间的连接过程可以分为三 个步骤:

1.服务器监听
(1)服务器监听:是服务器端套接字并不定位具体的客户端套接字,而是处于等待连 接的状态,实时监控网络状态。
2.客户端请求
(2)客户端请求:是指由客户端的套接字提出连接请求,要连接的目标是服务器端的 套接字。为此,客 户端的套接字必须首先描述它要连接的服务器的套接字,指出服务器端套 接字的地址和端口号,然后就 向服务器端套接字提出连接请求。
3.连接确认
(3)连接确认:是指当服务器端套接字监听到或者说接收到客户端套接字的连接请求, 它就响应客户端套接字的请求,建立一个新的线程,把服务器端套接字的描述发给客户端, 一旦客户端确认了此描述,连接就建立好了。而服务器端套接字继续处于监听状态,继续接 收其他客户端套接字的连接请求

Java 中的 Socket

在 java.net 包是网络编程的基础类库。其中 ServerSocket 和 Socket 是网络编程的基础类型。ServerSocket 是服务端应用类型。Socket 是建立连接的类型。当连接建立成功后,服务 器和客户端都会有一个 Socket 对象示例,可以通过这个 Socket 对象示例,完成会话的所有 操作。 对于一个完整的网络连接来说,Socket 是平等的,没有服务器客户端分级情况。

什么是同步和异步

同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言的
同步指的是用户进程触发 IO 操作并 等待或者轮询的去查看 IO 操作是否就绪,而异步是指用户进程触发 IO 操作以后便开始做自 己的事情,而当 IO 操作已经完成的时候会得到 IO 完成的通知。
比如:
银行取钱,
同步:为自己亲自去取钱(使用同步IO,java自己处理IO读写)
异步:你叫别人帮你去取钱,然后给你(使用异步IO时,Java 将 IO 读写 委托给 OS 处理,需要将数据缓冲区地址和大小传给 OS(银行卡和密码),OS 需要支持异步 IO 操作 API)

什么是阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞是针对于进程在访问数据的时候,根据 IO 操作的就绪状态来采取的不同 方式,说白了是一种读取或者写入操作方法的实现方式,阻塞方式下读取或者写入函数将一 直等待,而非阻塞方式下,读取或者写入方法会立即返回一个状态值。 /主要看返回的状态/

以银行取款为例:

阻塞 : ATM 排队取款,你只能等待(使用阻塞 IO 时,Java 调用会一直阻塞到读写完 成才返回);

非阻塞 : 柜台取款,取个号,然后坐在椅子上做其它事,等号广播会通知你办理,没 到号你就不能去,你可以不断问大堂经理排到了没有,大堂经理如果说还没到你就不能去(使 用非阻塞 IO 时,如果不能读写 Java 调用会马上返回,当 IO 事件分发器通知可读写时再继 续进行读写,不断循环直到读写完成)

BIO 编程

BIO全称:Blocking IO: 同步阻塞的编程方式。

BIO 编程方式通常是在 JDK1.4 版本之前常用的编程方式。编程实现过程为:首先在服务 端启动一个 ServerSocket 来监听网络请求,客户端启动 Socket 发起网络请求,默认情况下 ServerSocket 回建立一个线程来处理此请求,如果服务端没有线程可用,客户端则会阻塞等 待或遭到拒绝。

且建立好的连接,在通讯过程中,是同步的。在并发处理效率上比较低。大致结构如下

在这里插入图片描述

同步并阻塞,服务器实现模式为一个连接一个线程,即客户端有连接请求时服务器端就 需要启动一个线程进行处理,如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销,当然可 以通过线程池机制改善。

线程池改进BIO

在这里插入图片描述

NIO 编程

NIO全称:Unblocking IO(New IO): 同步非阻塞的编程方式。

NIO 本身是基于事件驱动思想来完成的,其主要想解决的是 BIO 的大并发问题,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。也就是说,这个时候,已经不是一个连接就 要对应一个处理线程了,而是有效的请求,对应一个线程,当连接没有数据时,是没有工作 线程来处理的。

NIO最重要的地方就是当一个连接创建后,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,也就是一个请求一个 线程模式。

在 NIO 的处理方式中,当一个请求来的话,开启线程进行处理,可能会等待后端应用的 资源(JDBC 连接等),其实这个线程就被阻塞了,当并发上来的话,还是会有 BIO 一样的问题。

在这里插入图片描述

同步非阻塞,服务器实现模式为一个请求一个通道,即客户端发送的连接请求都会注册 到多路复用器上,多路复用器轮询到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处理。 NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短(轻操作)的架构,比如聊天服务器,并发局 限于应用中,编程复杂,JDK1.4 开始支持。 Buffer:ByteBuffer,CharBuffer,ShortBuffer,IntBuffer,LongBuffer,FloatBuffer,DoubleBuffer 。
Channel:SocketChannel,ServerSocketChannel 。
Selector:Selector,AbstractSelector SelectionKey:OP_READ,OP_WRITE,OP_CONNECT,OP_ACCEPT

AIO 编程

AIO全称:Asynchronous IO: 异步非阻塞的编程方式

与 NIO 不同,当进行读写操作时,只须直接调用 API 的 read 或 write 方法即可。这两种 方法均为异步的,对于读操作而言,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。即可以理解为,read/write 方法都是异步的,完成后会 主动调用回调函数。在 JDK1.7 中,这部分内容被称作 NIO.2,主要在 java.nio.channels 包下 增加了下面四个异步通道:

AsynchronousSocketChannel

AsynchronousServerSocketChannel

AsynchronousFileChannel

AsynchronousDatagramChannel

异步非阻塞,服务器实现模式为一个有效请求一个线程,客户端的 I/O 请求都是由 OS 先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

AIO 方式使用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构,比如相册服务器,充分调 用 OS 参与并发操作,编程比较复杂,JDK7 开始支持

在这里插入图片描述

<think>嗯,用户问的是NIOBIOAIO,这三个都是和Java I/O模型相关的概念。我需要先理清楚每个术语的全称和基本定义,然后对比它们的区别和应用场景。 首先,BIO应该是Blocking I/O,也就是同步阻塞I/O。这是传统的I/O模型,每个连接一个线程,可能会在高并发时导致资源耗尽。记得以前学的时候,ServerSocket和Socket就是BIO的例子,accept()和read()都会阻塞线程,直到有数据到来。这时候如果有很多客户端连接,就需要开很多线程,但线程太多的话,上下文切换开销大,而且系统资源可能不足。 然后是NIO,Non-blocking I/O或者New I/O,Java 1.4引入的。这里有两个模式,同步非阻塞,基于通道和缓冲区,还有Selector机制。关键点是用一个线程处理多个连接,通过Selector轮询注册的通道,有事件发生时才处理。这样减少了线程数量,提高了并发能力。记得Channel有ServerSocketChannel和SocketChannel,Buffer有不同的类型,比如ByteBuffer,而Selector负责监听事件,如连接、读、写等。不过NIO的编程模型比BIO复杂,因为要处理事件循环和缓冲区管理。 接下来是AIO,Asynchronous I/O,也就是异步I/O,Java 7引入的。属于异步非阻塞模型,基于事件和回调机制。比如使用CompletionHandler或者Future来处理完成后的操作,不需要轮询,操作系统会通知应用。适用于高并发且连接时间较长的场景,比如文件I/O或者网络I/O,但实际应用中可能不如NIO广泛,因为操作系统支持的问题,比如Linux的AIO实现不够完善,而Windows的IOCP比较好,但跨平台可能有差异。 需要比较它们的区别:阻塞与非阻塞指的是线程在等待数据时的状态,同步和异步指的是任务完成的通知方式。BIO是同步阻塞,NIO是同步非阻塞(多路复用),AIO是异步非阻塞。 可能用户是想要了解Java网络编程的不同I/O模型,或者在做性能优化时选择适合的模型。需要举一些应用场景的例子,比如BIO适合连接数少的应用,NIO适合高并发的网络服务器,AIO适合处理大量长时间连接的场景。但实际中,Netty这样的框架更多是基于NIO的,因为AIO的支持不够好,特别是在Linux上。 还要注意术语的正确性,比如有时候NIO被称为Non-blocking I/O,而AIO是真正的异步。另外,可能用户对Reactor模式和Proactor模式不太清楚,可以稍微提一下,NIO对应Reactor,AIO对应Proactor。 最后要确保回答结构清晰,分点解释每个模型,然后对比它们的优缺点和适用场景,使用LaTeX公式的地方注意格式,比如代码块用反引号,数学公式用$...$,独立公式用$$...$$,但这里可能用到的公式不多,主要是代码示例。不过用户没有特别要求代码,所以可能不需要具体代码,但可以提到相关的Java类库,比如BIO的ServerSocket,NIO的Selector,AIO的AsynchronousServerSocketChannel。</think>以下是Java中BIONIOAIO三种I/O模型的对比分析: --- ### 1. **BIO (Blocking I/O | 同步阻塞I/O)** - **定义**:每个连接对应一个线程,I/O操作**完全阻塞线程**。 - **特点**: - 代码简单,但性能低(线程资源浪费)。 - 适用场景:低并发(如客户端数量$\leq 200$)。 - **示例**: ```java // 传统Socket编程 ServerSocket server = new ServerSocket(8080); while (true) { Socket client = server.accept(); // 阻塞直到连接建立 new Thread(() -> handle(client)).start(); } ``` --- ### 2. **NIO (Non-blocking I/O | 同步非阻塞I/O)** - **定义**:基于**多路复用器(Selector)**,单线程管理多个连接。 - **核心组件**: - **Channel**:双向数据传输(如`ServerSocketChannel`)。 - **Buffer**:数据容器(如`ByteBuffer`)。 - **Selector**:监听多个Channel的事件(连接、读、写)。 - **特点**: - 通过事件驱动避免线程阻塞。 - 适用场景:高并发(如聊天服务器、RPC框架)。 - **工作流程**: $$ \text{Selector轮询} \rightarrow \text{事件触发} \rightarrow \text{单线程处理} $$ --- ### 3. **AIO (Asynchronous I/O | 异步非阻塞I/O)** - **定义**:由操作系统完成I/O后**主动回调通知**,无需用户线程参与。 - **特点**: - 编程复杂度高,依赖操作系统支持(如Linux对AIO支持有限)。 - 适用场景:文件I/O或长连接场景(如大文件上传)。 - **示例**: ```java AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080)); server.accept(null, new CompletionHandler<>() { @Override public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Object attachment) { // 异步处理完成后的回调 } }); ``` --- ### 对比总结 | 特性 | BIO | NIO | AIO | |--------------|------------------------------|------------------------------|------------------------------| | **阻塞类型** | 同步阻塞 | 同步非阻塞 | 异步非阻塞 | | **线程模型** | 1连接1线程 | 1线程管理多连接 | 操作系统完成,无用户线程阻塞 | | **复杂度** | 低 | 中(需处理事件循环) | 高(回调嵌套) | | **吞吐量** | 低 | 高 | 理论更高(依赖OS支持) | | **适用场景** | 低并发、短连接 | 高并发、即时通信 | 长连接、文件操作 | --- ### 补充说明 - **实际应用**:主流框架(如Netty)基于NIO优化,因其在Linux环境下更稳定。 - **操作系统差异**:Windows通过IOCP实现AIO高效,而Linux需配合`epoll`模拟。 - **设计模式**:NIO对应**Reactor模式**(事件驱动),AIO对应**Proactor模式**(异步回调)。
评论 1
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值