Java 中的BIO，NIO 与 AIO

BIO，NIO 与 AIO

在《Concurrent-Notes》中我们介绍了 Unix 中的五种 IO 模型，除信号驱动模型外，Java 对其它四种 IO 模型都有支持；其中 Java 最早提供的 blocking IO 即是阻塞 IO，而 NIO 即是非阻塞 IO，同时 NIO 中的 Reactor 模式即是 IO 多路复用模型的实现，通过 AIO 实现的 Proactor 模式即是异步 IO 模型的实现。

Java 中传统的 IO 都是阻塞 IO，比如通过 socket 来读数据，调用 read 方法之后，如果数据没有就绪，当前线程就会一直阻塞在 read 方法调用那里，直到有数据才返回。因此在传统的网络服务设计模式中，比较经典的模式是多线程或线程池。当一条线程正在处理一个 client 的请求时，它是阻塞的状态，这时如果又来了一个 client 的请求，只好再启动一个新的线程去服务它，一个线程的阻塞不会影响其他线程工作。这种服务方式虽然看起来简便，但服务器为每个 client 都启动一个线程，资源消耗非常大。线程池的方式使得线程可以重复使用，在一定程度上减少了创建和销毁线程的系统开销。

多线程（或线程池）模式适用于大部分的连接为短连接的情景。如果大部分的连接都为长连接，而同一时刻只有少数的连接中存在 IO 操作，那么为每一个连接安排一个线程的服务方式是非常浪费的。因此便出现了如下的高性能 IO 模型：采用 Reactor 模式的 Java NIO 模型，这也是 Reactive Programming 中最为重要的概念。

BIO

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 会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：

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。BIO 方式适用于连接数目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 以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。使用线程池机制改善后的 BIO 模型图如下:

NIO

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 的最重要的地方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。

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

Asynchronous IO 即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。

Java 中的BIO，NIO 与 AIO

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