Java中BIO，NIO，AIO详解

文章目录

• 前言
• 一、BIO（Blocking I/O）：同步阻塞IO模型
• 二、 NIO（Non-Blocking I/O）：同步非阻塞IO模型
• 三、AIO（Asynchronous I/O）：异步IO模型
• 总结

  ---

  前言

  IO描述了计算机系统与外部设备之间通信的过程，即输入输出（input/output）。

  Java中常见的IO模型有三种：

  • BIO（Blocking I/O）：同步阻塞IO模型；
  • NIO（Non-Blocking I/O）：同步非阻塞IO模型；
  • AIO（Asynchronous I/O）：异步IO模型。

    那么，在讲解BIO，NIO和AIO之前，我们先要掌握同步和异步、阻塞和非阻塞的概念。

    同步和异步：

    • 同步：在同步操作中，程序的流程会等待一个操作完成后再继续执行。这意味着当一个线程发起一个请求后，它必须等待直到请求完成才能继续执行后续的操作。在等待期间，线程被阻塞，不能执行其他任务。
    • 异步：异步操作则允许程序在发出一个请求后立即继续执行其他任务，而不需要等待请求的完成。当请求完成时，系统会通过回调函数、事件或其他机制通知请求方。

      阻塞和非阻塞：

      • 阻塞：在阻塞模式下，当一个进程或线程尝试执行一个操作时，如果该操作无法立即完成（例如，因为数据尚未到达或磁盘正在忙于其他请求），那么这个进程或线程将被暂停，直到操作完成为止。这意味着在等待期间，该线程不会执行任何其他任务，也无法响应其他事件。
      • 非阻塞：非阻塞模式则允许进程或线程在发起一个操作后立即返回，即使该操作尚未完成。这意味着线程不会被挂起，它可以继续执行其他任务，或者被调度去处理其他请求。

        同步非阻塞和异步虽然都允许程序发起一个操作后可以去执行其他操作，但是接受这个操作是否成功的方式不一样。同步非阻塞需要主动去获取结果，但是异步是结果主动通知。

        一、BIO（Blocking I/O）：同步阻塞IO模型

        在这种模型下，当一个线程发起一个I/O操作（如读取或写入数据）时，该线程会一直阻塞直到操作完成。在服务端，通常为每个连接创建一个单独的线程，这被称为“一个连接一个线程”（one connection one thread）模型。

        优点:

        • 编程模型简单: BIO 模型直观且易于理解，因为它的行为类似于大多数程序员熟悉的文件读写操作。
        • 易于实现: 不需要额外的线程池或复杂的事件循环，每个连接一个线程的模型简单明了。

          缺点:

          • 资源消耗高: 每个连接都需要一个独立的线程，当并发连接数非常高时，系统资源（如线程）的消耗会非常大。
          • 性能限制: 由于线程阻塞等待I/O操作完成，线程的利用率不高，特别是在I/O操作耗时较长的情况下。
          • 可扩展性差: 当并发连接数增长时，系统性能和稳定性可能会急剧下降。

            二、 NIO（Non-Blocking I/O）：同步非阻塞IO模型

            NIO是Java 1.4中引入的新I/O模型，也被称为IO多路复用模型。它使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行数据读写。NIO的关键特性是非阻塞操作，允许线程在等待I/O操作完成时执行其他任务。NIO还引入了选择器（Selector），它可以监控多个通道的事件（如可读或可写），这样就可以在一个线程上处理多个连接。

            优点:

            • 高并发处理: NIO 允许一个线程处理多个连接，通过选择器（Selector）监控多个通道的就绪状态，极大地提高了系统的并发处理能力。
            • 资源节约: 相对于BIO，NIO减少了线程的使用，降低了资源消耗，提升了系统性能。
            • 非阻塞操作: 线程在等待I/O操作时不会被阻塞，可以执行其他任务，提高了线程的利用率。

              缺点:

              • 编程复杂: NIO 的编程模型比BIO复杂，需要深入理解选择器和缓冲区的概念。
              • 错误处理难度大: 错误处理在NIO中较为复杂，需要额外的逻辑来确保数据的正确性和完整性。

                三、AIO（Asynchronous I/O）：异步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。

                优点:

                • 真正的异步操作: AIO 允许线程在发起I/O操作后立即返回，不需要等待操作完成，这进一步提高了系统的并发性和响应速度。
                • 资源高效: AIO 减少了线程等待I/O的时间，使得资源的使用更加高效。

                  缺点:

                  • 编程复杂度极高: AIO 的编程模型是三种模型中最复杂的，需要处理事件和回调，对程序员的技术要求很高。

                    总结