什么是BIO？NIO？AIO？各种IO了解一下（基于网络编程）

最新推荐文章于 2021-12-26 18:37:55 发布

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本文详细介绍了三种网络通信模型：BIO（阻塞IO）、NIO（非阻塞IO）和AIO（异步IO）的概念、原理及其区别。涵盖了从传统BIO到现代AIO的发展历程和技术特点。

关于IO的一些基本概念

阻塞和非阻塞的区别：请求方请求后能否做其它事。
- 阻塞IO：发起IO请求后，请求线程被挂起一直等待实际IO操作完成，返回数据。
- 非阻塞IO：发起IO请求后，请求线程不会等待实际IO操作完成，立即返回一个标志信息。
- 同步和异步的区别：请求方是否需要等待结果返回。
  - 同步IO：线程请求后，等待结果返回。（图中的多次问询并不必要）
  - 异步IO：线程请求后，无需等待，接收方处理完后主动通知。

在这里插入图片描述

BIO 模型中，通过 Socket 和 ServerSocket 实现套接字通道的通信。阻塞，同步，建立连接耗时。

客户端和服务器之间通过 Channel 通信。NIO 可以在 Channel 进行读写操作。这些 Channel 都会被注册在 Selector 多路复用器上。Selector 通过一个线程不停地轮询这些 Channel ，找出已经准备就绪的 Channel 执行 IO 操作，从而实现非阻塞。
几个重要点：
- 缓冲区 Buffer ：它是 NIO 与 BIO 的一个重要区别。
  - BIO 是将数据直接写入或读取到流 Stream 对象中。
  - NIO 的数据操作都是在 Buffer 中进行的。Buffer 实际上是一个数组。Buffer 最常见的类型是ByteBuffer。
- 通道 Channel ：和流 Stream 不同，通道是双向的。NIO可以通过 Channel 进行数据的读、写和同时读写操作。
  - 通道分为两大类：一类是网络读写（SelectableChannel），一类是用于文件操作（FileChannel）。SocketChannel 和 ServerSocketChannel都是SelectableChannel 的子类。
- 多路复用器 Selector ：NIO 编程的基础。多路复用器提供选择已经就绪的任务的能力：就是 Selector 会不断地轮询注册在其上的通道（Channel），如果某个通道处于就绪状态，会被 Selector 轮询出来，然后通过 SelectionKey 可以取得就绪的Channel集合，从而进行后续的 IO 操作。

NIO 模型中通过 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 实现套接字通道的通信。非阻塞，同步，避免为每个 TCP 连接创建一个线程。

AIO ，全称 Asynchronous IO ，也叫 NIO2 ，是一种非阻塞 + 异步的通信模式。在 NIO 的基础上，引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

AIO 并没有采用 NIO 的多路复用器，而是使用异步通道的概念。其 read，write 方法的返回类型，都是 Future 对象。而 Future 模型是异步的，其核心思想是：去主函数等待时间。

AIO 模型中通过 AsynchronousSocketChannel 和 AsynchronousServerSocketChannel 实现套接字通道的通信。非阻塞，异步。

线程模型不同
- BIO：一个连接一个线程，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。所以，线程开销大。可改良为用线程池的方式代替新创建线程，被称为伪异步 IO 。
- NIO：多个连接一个线程，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新的 I/O 请求时，才启动一个线程进行处理。
BIO 是面向流( Stream )的，而 NIO 是面向缓冲区( Buffer )的。
BIO 的各种操作是阻塞的，而 NIO 的各种操作是非阻塞的。
BIO 的 Stream 是单向的，而 NIO 的 Channel 是双向的。

需要注意的是，虽然图中说 NIO 的性能比不上AIO，但是在绝大多数我们日常业务场景，NIO 和 AIO 的性能差距实际没这么大。在 Netty5 中，基于 AIO 改造和支持，最后发现，性能并没有想象中这么强悍，所以 Netty5 被废弃，而是继续保持 Netty4 为主版本，使用 NIO 为主。