Java IO框架之BIO、NIO、AIO

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一、概述

二、BIO、NIO、AIO 使用场景分析

一、概述

I/O 模型简单理解为：就是使用什么样的通道进行数据的发送和接收，很大程度上决定了程序通信的性能。Java 支持 3 种网络编程模型：BIO、NIO、AIO。

Java BIO：同步并阻塞（传统阻塞型），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，如果这个连接不作任何事情会造成不必要的线程开销。

Java NIO：同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程处理多个请求(连接)，即客户端发送的连接请求会被注册到多路复用器上，多路复用器轮询到有 I/O 请求就会进行处理。

Java AIO：异步非阻塞，AIO 引入了异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才启动线程，它的特点是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。

我们可以简单通俗的进行如下的理解：

同步阻塞：你到饭馆点餐，然后在那等着，还要一边喊：好了没啊！
同步非阻塞：在饭馆点完餐，就去遛狗了。不过溜一会儿，就回饭馆喊一声：好了没啊！
异步阻塞：遛狗的时候，接到饭馆电话，说饭做好了，让您亲自去拿。
异步非阻塞：饭馆打电话说，我们知道您的位置，一会给你送过来，安心遛狗就可以了。

二、BIO、NIO、AIO 使用场景分析

BIO 方式适用于连接数比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4 之前唯一的选择，程序较为简单容易理解。
NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短的架构，比如聊天服务器，弹幕系统，服务器间通讯等，编程比较复杂，JDK1.4 开始支持。
AIO 方式适用于连接数目多且连接比较长的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，变成比较复杂，JDK7 开始支持。

三、BIO（`同步阻塞`）

Java BIO 就是传统的 Java IO 编程，其相关的类和接口在 java.io 包下。

BIO（Blocking I/O）：同步阻塞，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，服务器就会需要启动一个线程来进行处理。如果这个连接不作任何事情就会造成不必要的开销，可以通过线程池机制改善。

1、简要流程

服务器驱动一个 ServerSocket。
客户端启动 Socket 对服务器进行通信，默认情况下服务器端需要对每一个客户端建立一个线程进行通信。
客户端发出请求后，先咨询服务器时候否线程响应，如果没有则会等待，或者被拒绝。
如果有响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行。

2、服务端代码案例

public class Server {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //创建线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //创建serverSocket
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(6666);
        for (; ; ) {
            System.out.println("等待连接中...");
            //监听,等待客户端连接
            Socket socket = serverSocket.accept();
            System.out.println("连接到一个客户端");
            executorService.execute(() -> handler(socket));
        }
    }

    //编写一个handler方法,和客户端通讯
    public static void handler(Socket socket) {
        byte[] bytes = new byte[1024];
        System.out.println("当前线程信息: " + Thread.currentThread().getName());
        try {
            //通过socket获取输入流
            InputStream inputStream = socket.getInputStream();
            //循环读取客户端发送的数据
            while (inputStream.read(bytes) != -1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ " : 发送信息为 :"+ new String(bytes, 0, bytes.length));
            }

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            System.out.println("关闭连接");
            try {
                socket.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

3、问题分析

每个请求都需要创建独立的线程，与对应的客户端进行数据处理。
当并发数大时，需要创建大量线程来处理连接，系统资源占用较大。
连接建立后，如果当前线程暂时没有数据可读，则当前线程会一直阻塞在 Read 操作上，造成线程资源浪费。

四、NIO（`同步非阻塞`）

Java NIO 全称 Java non-blocking IO，指的是 JDK 提供的新 API。从 JDK 1.4 开始，Java 提供了一系列改进的输入/输出的新特性，被统称为 NIO，即 New IO，是同步非阻塞的。

NIO 相关类都放在 java.nio 包下，并对原 java.io 包中很多类进行了改写。

NIO 有三大核心部分：Channel（管道）、Buffer（缓冲区）、Selector（选择器）。

NIO 是面向缓冲区编程的。数据读取到了一个它稍微处理的缓冲区，需要时可在缓冲区中前后移动，这就增加了处理过程中的灵活性，使用它可以提供非阻塞的高伸缩性网络。

Java NIO 的非阻塞模式，使一个线程从某通道发送请求读取数据，但是它仅能得到目前可用数据，如果目前没有可用数据时，则说明都不会获取，而不是保持线程阻塞，所以直到数据变为可以读取之前，该线程可以做其他事情。非阻塞写入同理。

1、NIO Buffer 的基本使用

public class BufferTest {

    public static void main(String[] args) {
        //同理对应的还有:ByteBuffer,IntBuffer,FloatBuffer,CharBuffer,ShortBuffer,DoubleBuffer,LongBuffer
        //创建一个Buffer,大小为5
        IntBuffer buffer = IntBuffer.allocate(5);
        //存放数据
        for (int i = 0; i < buffer.capacity(); i++) {
            buffer.put(i);
        }
        //切换成读模式. 读写切换
        buffer.flip();
        while (buffer.hasRemaining()) {
            System.out.println(buffer.get()); // 0 1 2 3 4
        }
    }

}

2、NIO 和 BIO 对比

BIO 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据，块 I/O 的效率比流 I/O 高很多。
BIO 是阻塞的，而 NIO 是非阻塞的。
BIO 基于字节流和字符流进行操作，而 NIO 基于 Channel（通道）和 Buffer（缓冲区）进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector（选择器）用于监听多个通道事件（比如连接请求，数据到达等），因此使用单个线程就可以监听多个客户端通道。

三、NIO三大核心组件关系

每个 Channel 对应一个 Buffer。
Selector 对应一个线程，一个线程对应多个 Channel。
该图反应了有三个 Channel 注册到该 Selector。
程序切换到那个 Channel 是由事件决定的（Event）。
Selector 会根据不同的事件，在各个通道上切换。
Buffer 就是一个内存块，底层是有一个数组。
数据的读取和写入是通过 Buffer，但是需要flip()切换读写模式。而 BIO 是单向的，要么输入流要么输出流。

关于Selector、Channel和Buffer详细内容

五、AIO

JDK 7 引入了 Asynchronous I/O，即 AIO。在进行 I/O 编程中，通常用到两种模式：Reactor 和 Proactor 。Java 的 NIO 就是 Reactor，当有事件触发时，服务器端得到通知，进行相应的处理。

AIO 叫做异步非阻塞的 I/O，引入了异步通道的概念，采用了 Proactor 模式，简化了程序编写，有效的请求才会启动线程，特点就是先由操作系统完成后才通知服务端程序启动线程去处理，一般用于连接数较多且连接时长较长的应用。

Reactor 与 Proactor

两种 IO 多路复用方案:Reactor and Proactor。
Reactor 模式是基于同步 I/O 的，而 Proactor 模式是和异步 I/O 相关的。

由于 AIO 目前应用并不广泛，所以本文只是讲述 AIO 基本介绍。

六、BIO、NIO、AIO的对比

BIO g (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。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。因此，我们需要一种更高效
的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

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 de 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。

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。查阅网上相关资料，我发现就目前来说 AIO 的应用还不是很广泛，Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了。

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