I/O模型有哪些?

在Java中，I/O模型的选择直接影响程序的性能和并发能力。核心差异在于线程如何处理I/O操作的等待过程，主要分为四大类，从简单到复杂依次为阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O多路复用和异步I/O。

一、阻塞I/O（BIO，Blocking I/O）

核心特点：线程在I/O操作的整个过程中被完全阻塞，直到操作完成。

工作流程

1. 应用程序发起I/O请求（如read()）。
2. 操作系统检查数据是否就绪，若未就绪，将线程挂起（阻塞）。
3. 数据就绪后，操作系统将数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区。
4. 线程被唤醒，继续执行。

Java中的实现

• 基于java.net.Socket和java.net.ServerSocket。
• 典型场景：服务器为每个客户端连接创建一个线程，线程在accept()、read()、write()时阻塞。

优点	缺点
实现简单，逻辑直观	高并发下线程数量暴增，内存占用大
阻塞时不占用CPU资源	线程切换开销高，性能瓶颈明显

适用场景：连接数少、并发低的简单应用（如内部管理系统）。

二、非阻塞I/O（NIO，Non-blocking I/O）

核心特点：I/O操作不会阻塞线程，若数据未就绪，会立即返回特定标识（如-1），线程可继续处理其他任务。

工作流程

1. 应用程序发起非阻塞read()请求。
2. 若数据未就绪，操作系统立即返回-1，线程不阻塞。
3. 线程需通过轮询反复调用read()，直到数据就绪。
4. 数据就绪后，操作系统将数据复制到用户缓冲区，线程处理数据。

Java中的实现

• 基于java.nio.channels.SocketChannel和ServerSocketChannel，需调用configureBlocking(false)开启非阻塞模式。
• 需手动轮询检查I/O状态，通常配合缓冲区（Buffer） 使用。

SocketChannel channel = SocketChannel.open();
channel.configureBlocking(false); // 开启非阻塞
ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
int bytesRead = channel.read(buffer); // 非阻塞，立即返回

优点	缺点
单线程可处理多个连接	轮询会占用CPU资源，效率低
避免线程阻塞带来的开销	需手动管理轮询逻辑，复杂度高

适用场景：连接数较少，但需快速响应的场景（较少直接使用，通常配合多路复用）。

三、I/O多路复用（Multiplexing I/O）

核心特点：通过一个线程监听多个I/O通道，仅当通道有事件（如数据就绪）时才处理，避免无效轮询。

工作流程

1. 应用程序将多个I/O通道注册到选择器（Selector） 上，并指定关注的事件（如可读、可写）。
2. 线程调用selector.select()，阻塞等待事件发生（仅阻塞这一次）。
3. 有事件发生时，select()返回，线程遍历就绪的通道，处理对应I/O操作。

Java中的实现

• 基于java.nio.channels.Selector，是Java NIO的核心。
• 支持的事件类型：OP_READ（可读）、OP_WRITE（可写）、OP_CONNECT（连接完成）、OP_ACCEPT（接受连接）。

Selector selector = Selector.open();
SocketChannel channel = SocketChannel.open();
channel.configureBlocking(false);
// 注册通道到选择器，关注"可读"事件
channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
selector.select(); // 阻塞，直到有事件发生

优点	缺点
单线程处理大量连接，资源消耗低	事件处理仍需在用户态完成，存在一定延迟
避免轮询浪费CPU，效率高于非阻塞I/O	编程复杂度高于BIO

适用场景：高并发网络编程（如服务器、中间件），Netty框架基于此模型。

四、异步I/O（AIO，Asynchronous I/O）

核心特点：I/O操作的发起和完成完全由操作系统处理，应用程序仅在操作完成后通过回调或Future获取结果，全程不阻塞。

工作流程

1. 应用程序发起异步I/O请求（如read()），并指定回调函数。
2. 操作系统负责完成数据准备和复制到用户缓冲区的全过程。
3. 操作完成后，操作系统通知应用程序（如触发回调），线程处理结果。

Java中的实现

• 基于java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel和AsynchronousServerSocketChannel（Java 7引入，属于NIO.2）。
• 支持两种通知方式：回调函数（CompletionHandler）和Future。

AsynchronousSocketChannel channel = AsynchronousSocketChannel.open();
// 异步连接，通过CompletionHandler处理结果
channel.connect(new InetSocketAddress("example.com", 80), null, 
    new CompletionHandler<Void, Void>() {
        @Override
        public void completed(Void result, Void attachment) {
            // 连接成功后的处理
        }
        @Override
        public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
            // 连接失败后的处理
        }
    });

优点	缺点
线程利用率最高，无阻塞等待	实现复杂，调试难度大
适合处理大量长时间I/O操作	对操作系统支持依赖高（如Windows的IOCP，Linux的epoll）

适用场景：高并发且I/O操作耗时较长的场景（如文件服务器、大数据传输）。

四类I/O模型的核心对比

模型	线程状态（等待时）	数据复制阶段	Java实现类	并发能力
阻塞I/O（BIO）	完全阻塞	线程阻塞	Socket、ServerSocket	低
非阻塞I/O（NIO）	不阻塞（轮询）	线程阻塞	SocketChannel（非阻塞模式）	中
I/O多路复用	阻塞于选择器	线程阻塞	Selector + Channel	高
异步I/O（AIO）	不阻塞	操作系统处理	AsynchronousSocketChannel	极高

总结

Java的I/O模型从BIO到AIO，本质是不断优化线程的等待效率：BIO通过线程阻塞应对等待，NIO通过轮询避免阻塞，多路复用通过选择器集中管理等待，AIO则将等待完全交给操作系统。
实际开发中，I/O多路复用（NIO） 是平衡性能和复杂度的首选（如Netty框架），而BIO适合简单场景，AIO在特定高并发场景下更具优势。选择时需结合业务的并发量、延迟要求和开发成本综合判断。