BIO、NIO、AIO

一、扫盲概念

1、同步与异步

（1）同步：指一个线程要等待上一个线程执行完之后才开始执行当前的线程。（有一个等待过程）
（2）异步：指的是一个线程的执行不需要在意其他线程的执行。（没有等待过程）
（3）同步异步发生在两个（或多个）线程间。
举例：
　　两个人去吃饭，用线程 A 、线程 B 表示。
　　同步：线程 A 喊 线程 B 去吃饭，B 听到了就和 A 一起去吃饭。 B 没听到，则 A 就一直喊，直至B听到了，然后与 A 一起去吃饭。
　　异步：线程 A 喊 线程 B 去吃饭， 不管 B 有没有听到， A 先去吃饭了，B 可能跟着 A 一起吃饭，也可能过几个小时再去吃饭。

2、阻塞与非阻塞

（1）阻塞：指的是调用者发起一个调用请求后，调用者一直等待被调用者处理请求并返回结果，不能进行其他的处理。即当前线程被挂起，无法继续别的处理，需要等待条件满足才会继续处理。
（2）非阻塞：指的是调用者发起一个调用请求后，调用者不用等待被调用者处理请求的返回结果，可以进行其他的处理。
（3）阻塞与非阻塞发生在同一线程间。
举例：
　　一个人去食堂吃饭，用线程A表示。
　　阻塞：A 来到食堂买饭，某个打菜的窗口有很多人，需要排队等候，此时A只能默默的排队，不能去买其他吃的，直至A来到打菜的窗口。
　　非阻塞：A来到食堂买饭，到某个窗口，说出菜名，拿到一张号码，听号取餐，此时A可以去买其他吃的，听到号码后再过来取餐。

3、并行与并发

（1）并行：多个cpu实例或者多台机器同时执行一段处理逻辑，是真正的同时执行。
（2）并发：通过cpu调度算法，让各线程快速切换。使程序看上去是同时执行的。
举例：
　　两个人吃一碗面，用A、B表示。
　　并行：两个人一起吃。
　　并发：A先吃一口，B再吃一口，A再吃一口，A再吃一口，B吃一口。

4、同步与阻塞、异步与非阻塞的区别

（1）同步、异步发生在不同线程之间。线程间要么同步、要么异步。
（2）阻塞与非阻塞发生在同一线程间。某个时刻，该线程要么阻塞、要么非阻塞。
（3）同步和异步是结果，阻塞和非阻塞是过程。
（4）举例：
　　以烧水为例，人为线程A，烧水为线程B。
　　同步阻塞：
　　　　上小学的时候烧水，一直在水壶旁边傻等着水开，不知道干些其他的事。
　　　　此时线程A 等待 线程 B 完成，需要在水壶旁边等待，为同步。线程 A 没有干其他的事，等同于线程挂起，为阻塞，即同步阻塞。

　　同步非阻塞：
　　　　上中学的时候烧水，知道可以在等水开的时候干些其他的事了（写作业(=_=)），需要等在水壶旁边，只要时不时的看水开了没就行了。
　　　　此时线程A 等待 线程 B 完成，需要在水壶旁边等待，为同步。线程 A 开始写作业（执行其他行为），为非阻塞，即同步非阻塞。

　　异步非阻塞：
　　　　上高中的时候烧水，使用电水壶，水开了会发出声音，听到声音了就知道水开了，这期间可以随便干什么事，不需要等在水壶旁边。
　　　　此时线程A 不用等待 线程 B完成，可以不用等在水壶旁边（访问其他线程），听到声音（即线程B结束相关处理并通知线程A），为异步。线程A可以写作业（执行其他行为），为非阻塞，即异步非阻塞。

5、IO、同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO

（1）IO（Input/Output），即输入流/输出流。通常指的是对硬盘的读写、外设的读写。

（2）阻塞IO：阻塞式的IO操作。
　　比如：用户线程 向 系统线程 发送一个读请求时，系统线程先检查数据是否就绪，如果未就绪，则一直等待，直至数据就绪。

（3）非阻塞IO：非阻塞式的IO操作。
　　比如：用户线程 向 系统线程 发送一个读请求时，系统线程先检查数据是否就绪，如果未就绪，则会返回一个标志信息通知用户线程当前数据未就绪，通过标志信息判断是否阻塞。

（4）同步IO：同步的IO操作。
　　比如：多个用户线程 向系统线程发送一个读请求时，若数据未就绪，则多个线程不断的去轮询，当某个线程的数据就绪时，拷贝数据，其余线程等待。

（5）异步IO：异步的IO操作。
　　比如：多个用户线程发送读请求后，不管数据就绪未就绪，等数据就绪并拷贝后，再通知用户线程。

 

二、BIO

1、什么是BIO？

　　BIO（Blocking Input Output） 指的是 同步阻塞式 IO。
　　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。
　　适用于连接数目比较小且固定的场景，这种方式对服务器资源要求比较高。

2、常见的BIO使用

　　常用的BIO实现为 ： Socket 与 ServerScoket。
　　使用一个线程监听客户端的连接。一般通过在while(true) 循环中服务端会调用 accept() 方法等待接收客户端的连接的方式监听请求，请求一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字在这个通信套接字上进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待当前连接的客户端的操作执行完成， 不过可以通过多线程来支持多个客户端的连接。

【Socket核心代码：】
Socket s = new Socket("localhost", 8000);
InputStream is = s.getInputStream();  //is表示服务器端到客户端的流。
OutputStream os = s.getOutputStream(); //os表示客户端到服务器端的流。

【ServerSocket核心代码：】
ServerSocket ss = new ServerSocket(8000);
while(true){
    //accept方法引起当前 主线程main阻塞，等待客户端连接。
    //若连接成功，那么返回一个Socket实例。
    //s代表客户端连接，其有两个属性 in 和 out。
    //in表示客户端发送来的信息， out表示向客户端输出的信息。
    Socket s = ss.accept();
}

3、优缺点

（1）优点：代码简单，直观，维护方便。
（2）缺点：IO效率极低，影响性能，不使用线程池时可能会严重消耗线程资源。不能处理高并发情况。

 

三、NIO

1、什么是NIO？

　　NIO（New Input Output）或者理解为 Non-blocking Input Output，指的是同步非阻塞式IO。
　　服务器实现模式为一个请求一个线程，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器（Selector）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。
　　适合处理连接数目特别多，但是连接比较短（轻操作）的场景。

2、常见的NIO使用

　　常见的NIO实现为：SocketChannel 与 ServerSocketChannel。
　　核心：Channel(通道)、Buffer(缓冲区)、Selector(选择器)
　　此处使用 JDK 原生的 NIO 过于复杂，可能还有bug，此处不实现。以后再总结。。。
有兴趣可以参考下面的链接：

《跟闪电侠学Netty》开篇：Netty是什么？
https://www.jianshu.com/p/a4e03835921a

3、NIO与IO的区别

（1）IO流是阻塞的，NIO流是不阻塞的。
　　Java IO的各种流是阻塞的。即当一个线程调用 read() 或 write() 时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取，或数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。
　　Java NIO 可以进行非阻塞IO操作，线程进行读操作时，从通道读取数据到缓冲区，同时可以进行其他操作，数据读取到缓冲区后，线程再继续处理数据。写操作类似。

NIO读写数据的方式：
　　从通道进行数据读取 ：创建一个缓冲区，然后请求通道读取数据。
　　从通道进行数据写入 ：创建一个缓冲区，填充数据，并要求通道写入数据。

（2）IO 面向流(Stream oriented)，而 NIO 面向缓冲区(Buffer oriented)。
　　Java IO操作数据时将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中。Stream 提供了 Buffer开头的包装类，也可以在缓冲区进行操作。
　　Java NIO操作数据时将数据直接写入或者将数据直接读到 Buffer 对象中，其数据操作都与缓冲区相关。

（3）NIO新增的东西（Channel、Selector）
　　NIO 通过Channel（通道） 进行读写。通道是双向的，可读也可写，而流的读写是单向的。无论读写，通道只能和Buffer交互。
　　减少线程的切换，可以提高系统的性能。NIO通过选择器（Selector），使单个线程可以处理多个通道。实现使用较少的线程来处理这些通道。

 

四、AIO

1、什么是AIO？

　　AIO（Asynchronous IO），即异步非阻塞式IO。
　　NIO 2 ，在Java 7提出，NIO的升级版。
　　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。

平时没怎么使用，以后碰到了再总结。。。

五、BIO、NIO、AIO使用总结

1、使用须知

　　Java 中的 BIO、NIO和 AIO 是 Java 语言对操作系统的各种 IO 模型的封装。程序员在使用这些 API 的时候，不需要关心操作系统层面的知识，也不需要根据不同操作系统编写不同的代码。只需要使用Java的API就可以了。

　　操作系统IO模型：（未完待续。。。）

　　　　阻塞IO(Blocking IO)
　　　　非阻塞IO(Nonblocking IO)
　　　　I/O复用(I/O Multiplexing)
　　　　信号驱动IO(signal driven I/O)
　　　　异步IO(Asynchronous IO)

2、比较

（1）IO，阻塞同步通信模式，基于TCP（客户端与服务端三次握手），简单，吞吐量小。
　　核心：Socket和ServerSocket。

（2）NIO，非阻塞同步通信模式，客户端与服务端通过Channel连接，采用多路复用器（Selector）轮询注册的Channel。
　　核心：SocketChannel和ServerSocketChannel。

（3）AIO，非阻塞异步通信模式，基于事件和回调机制，采用异步通道实现异步通信。
　　核心：AsynchronousSocketChannel和AsynchronousServerSocketChannel。