JAVA IO、AIO、BIO、NIO知识

最新推荐文章于 2025-04-19 20:20:25 发布

低配张家辉

最新推荐文章于 2025-04-19 20:20:25 发布

阅读量275

点赞数

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/zxc_jkl/article/details/89787137

版权

参考：https://mp.weixin.qq.com/s/dFumpp1wBO1NWes3AxVBRw
参考：https://www.cnblogs.com/diegodu/p/6823855.html

说明

bio：b有两说，一为base，jdk中最早抽象出的io体系；一为block，jdk 1.0 中的io体系是阻塞的。所以两说皆有道理，一般我们认为b取block之意
nio：n也有两说，一为new，针对base而言；一为non-block，针对block而言。
aio：a为asynchronous，异步的，异步io，aio还有个名字叫：nio2

发展历程：bio(jdk1.0) -> nio(jdk1.4) -> aio(jdk1.7)

假设某银行只有10个职员。该银行的业务流程分为以下4个步骤：
1）顾客填申请表（5分钟）；
2）职员审核（1分钟）；
3）职员叫保安去金库取钱（3分钟）；
4）职员打印票据，并将钱和票据返回给顾客（1分钟）。
我们看看银行不同的工作方式对其工作效率到底有何影响。

一：BIO方式

每来一个顾客，马上由一位职员来接待处理，并且这个职员需要负责以上4个完整流程。当超过10个顾客时，剩余的顾客需要排队等候。

我们算算这个银行一个小时到底能处理多少顾客？一个职员处理一个顾客需要10分钟（5+1+3+1）时间，一个小时（60分钟）能处理6个顾客，一共10个职员，那就是只能处理60个顾客。

可以看到银行职员的工作状态并不饱和，比如在第1步，其实是处于等待中。

这种工作其实就是BIO，每次来一个请求（顾客），就分配到线程池中由一个线程（职员）处理，如果超出了线程池的最大上限（10个），就扔到队列等待。

二：NIO方式

如何提高银行的吞吐量呢？

思路：分而治之，将任务拆分开来，由专门的人负责专门的任务。

具体来讲，银行专门指派一名职员A，A的工作就是每当有顾客到银行，他就递上表格让顾客填写，每当有顾客填好表后，A就将其随机指派给剩余的9名职员完成后续步骤。

我们计算下这种工作方式下银行一个小时到底能处理多少顾客？

假设顾客非常多，职员A的工作处于饱和中，他不断的将填好表的顾客带到柜台处理，柜台一个职员5分钟能处理完一个顾客，一个小时9名职员能处理：9*（60/5）=108。

可见工作方式的转变能带来效率的极大提升。

这种工作方式其实就NIO的思路。下图是非常经典的NIO说明图，mainReactor线程负责监听server socket，accept新连接，并将建立的socket分派给subReactor；subReactor可以是一个线程，也可以是线程池（一般可以设置为CPU核数），负责多路分离已连接的socket，读写网络数据，这里的读写网络数据可类比顾客填表这一耗时动作，对具体的业务处理功能，其扔给worker线程池完成。

可以看到典型NIO有三类线程，分别是mainReactor线程、subReactor线程、work线程。不同的线程干专业的事情，最终每个线程都没空着，系统的吞吐量自然就上去了。

在这里插入图片描述

三：异步方式

第二种工作方式有没有什么可以提高的地方呢？

仔细查看可发现第3步骤这3分钟柜台职员是在等待中度过的，那怎么能让柜台职员保持满负荷呢？

还是分而治之的思路，指派1个职员B来专门负责第3步骤。每当柜台员工完成第2步时，就通知职员B来负责与保安沟通取钱。这时候柜台员工可以继续处理下一个顾客。当职员B拿到钱之后，他会怎么办呢？他会通知顾客钱已经到柜台了，让顾客重新排队处理，当柜台职员再次服务该顾客时，发现该顾客前3步已经完成，直接执行第4步即可。

我们可以算算通过这种方法，银行的吞吐量能提高到多少。

假设职员B的工作非常饱和，柜台一个职员现在2分钟能处理完一个顾客，一个小时8名职员能处理：8*（60/2）=240。

在当今web服务中，经常需要通过RPC或者Http等方式调用第三方服务，这里对应的就是第3步，如果这步耗时较长，通过异步方式将能极大降低资源使用率。

jetty Continuations 就实现了上述异步方式，有兴趣的同学可以去尝试下（http://wiki.eclipse.org/Jetty/Feature/Continuations）。

NIO+异步的方式能让少量的线程（资源）做大量的事情，这适用于很多应用场景，比如代理服务、api服务、长连接服务等等，这些应用如果用同步方式将耗费大量机器资源。尽管NIO+异步能提高系统吞吐量，但其并不能让一个请求的等待时间下降，相反可能会增加等待时间。

四：小结

总结就一句：“分而治之，将任务拆分开来，由专门的人负责专门的任务”，这不仅在计算机领域生效，在整个社会领域都生效。

IO和NIO的区别

NIO即New IO，这个库是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但实现方式不同，NIO主要用到的是块，所以NIO的效率要比IO高很多。在Java API中提供了两套NIO，一套是针对标准输入输出NIO，另一套就是网络编程NIO。

在这里插入图片描述
Java IO和NIO之间第一个最大的区别是，IO是面向流的，NIO是面向缓冲区的。
Java IO的各种流是阻塞的，Java NIO的非阻塞模式。
Java NIO的选择器允许一个单独的线程来监视多个输入通道。

从编程语言层面

BIO | NIO | AIO 以Java的角度，理解如下：

BIO，同步阻塞式IO，简单理解：一个线程处理一个连接，发起和处理IO请求都是同步的
NIO，同步非阻塞IO，简单理解：一个线程处理多个连接，发起IO请求是非阻塞的但处理IO请求是同步的
AIO，异步非阻塞IO，简单理解：一个有效请求一个线程，发起和处理IO请求都是异步的

BIO

在JDK1.4之前，用Java编写网络请求，都是建立一个ServerSocket，然后，客户端建立Socket时就会询问是否有线程可以处理，如果没有，要么等待，要么被拒绝。即：一个连接，要求Server对应一个处理线程。

NIO

在Java里的由来，在JDK1.4及以后版本中提供了一套API来专门操作非阻塞I/O，我们可以在java.nio包及其子包中找到相关的类和接口。由于这套API是JDK新提供的I/O API，因此，也叫New I/O，这就是包名nio的由来。这套API由三个主要的部分组成：缓冲区（Buffers）、通道（Channels）和非阻塞I/O的核心类组成。在理解NIO的时候，需要区分，说的是New I/O还是非阻塞IO,New I/O是Java的包，NIO是非阻塞IO概念。这里讲的是后面一种。

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：在使用同步I/O的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，就必须使用多线程来处理。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。

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。

AIO

与NIO不同，操作系统负责处理内核区/用户区的内存数据迁移和真正的IO操作，应用程序只须直接调用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
其中的read/write方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取/写入操作后，直接调用回调函数。