BIO NIO AIO

在学习Java I/O类库时，容易混淆NIO、BIO、AIO这几个概念，同时对于阻塞和非阻塞、同步和异步的理解也较为晦涩，这篇文章是对这几个概念的一些区分以及个人的一些见解。

BIO 是同步阻塞通讯。

NIO 是同步非阻塞通信。

AIO 是彻底的异步通信。

有一个经典的举例。烧开水。

假设有这么一个场景，有一排水壶（客户）在烧水。

AIO的做法是，每个水壶上装一个开关，当水开了以后会提醒对应的线程去处理。

NIO的做法是，叫一个线程不停的循环观察每一个水壶，根据每个水壶当前的状态去处理。

BIO的做法是，叫一个线程停留在一个水壶那，直到这个水壶烧开，才去处理下一个水壶。

一、同步阻塞I/O(BIO)：

Blocking（同步阻塞）I/O

• 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，可以通过线程池机制来改善。
• BIO是传统的Java io编程，其相关的类和接口在java.io 包下
• BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务端资源要求比较高，并发局限于应用中，在jdk1.4以前是唯一的IO实现。
• 程序直观简单易理解。

BIO编程流程

1. 服务器端启动一个SeverSocket
2. 客户端启动Socket对服务器端发起通信，默认情况下服务器端需为每个客户端创建一个线程与之通讯
3. 客户端发起请求后，先咨询服务器端是否有线程响应，如果没有则会等待或被拒绝
4. 如果有线程响应，客户端线程会等待请求结束后，再继续执行

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二、同步非阻塞I/O(NIO)：

Non-blocking I/O，在Java领域，也称为New I/O

• 服务器实现模式为一个请求一个线程。

• 客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器 （Selector选择器）上，多路复用器（Selector选择器）轮询到连接有IO请求时才启动一个线程进行处理。

• NIO的相关类都放在java.nio包或其子包下，并对原先java.io包中许多类进行了改写。

• 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。

• 编程比较复杂，jdk1,4开始支持。

NIO三大核心

缓冲区(Buffer)，通道(Channel)，选择器(Selector)

缓冲区(Buffer)

• NIO是面向缓冲区, 或者说是面向块编程的。在NIO的IO传输中，数据会先读入到缓冲区，当需要时再从缓冲区写出，这样减少了直接读写磁盘的次数，提高了IO传输的效率。

• 缓冲区(buffer)本质上是一个可以读写数据的内存块，即在内存空间中预留了一定的存储空间，这些存储空间用来缓冲输入和输出的数据，这部分预留的存储空间就叫缓冲区。

• 在NIO程序中，通道channel虽然负责数据的传输，但是输入和输出的数据都必须经过缓冲区buffer。

• 在java中，缓冲区的相关类都在java.nio包下，其最顶层的类是 Buffer，它是一个抽象类。

Buffer类的4个重要属性：

• mark：标记
• position：位置，下一个要被读或写的元素的索引，每次读写缓冲区都会改变该值，为下次读写做准备
• limit：表示缓冲区的终点，不能对缓冲区中超过极限的位置进行读写操作，且极限是可修改的
• capacity：容量，即缓冲区的最多可容纳的数据量，该值在创建缓冲区时被设立，且不可修改

通道(Channel)

在NIO程序中服务器端和客户端之间的数据读写不是通过流，而是通过通道来读写的。

通道类似于流，都是用来读写数据的，但它们之间也是有区别的：

• 通道是双向的，即可以读也可以写，而流是单向的，只能读或写

• 通道可以实现异步读写数据

• 通道可以从缓冲区读数据，也可以把数据写入缓冲区

• java中channel的相关类在java.nio.channel包下。Channel是一个接口。

• 常用的实现类如下：

  • FileChannel：用于文件的数据读写，其真正的实现类为FileChannelImpl

  • DatagramChannel：用于UDP的数据读写，其真正的实现类为DatagramChannelImpl

  • ServerSocketChannel：用于监听TCP连接，每当有客户端连接时都会创建一个SocketChannel，功能类似ServerSocket，其真正的实现类为ServerSocketChannelImpl

  • SocketChannel：用于TCP的数据读写，功能类似节点流+Socket，其真正的实现类为SocketChannelImpl

选择器(Selector)

• 在NIO程序中，可以用选择器Selector实现一个选择器处理多个通道，即一个线程处理多个连接。

• 只要把通道注册到Selector上，就可以通过Selector来监测通道，如果通道有事件发生，便获取事件通道然后针对每个事件进行相应的处理。这样，只有在通道(连接)有真正的读/写事件发生时，才会进行读写操作，大大减少了系统开销，并且不必为每个连接创建单独线程，就不用去维护过多的线程。

• 选择器的相关类在java.nio.channels包和其子包下，顶层类是zSelector，它是一个抽象类。

每个注册到选择器的通道都需定义需进行的操作事件类型，通过查看SelectionKey类的属性可以知道操作事件的类型有4种：

public static final int OP_READ = 1 << 0; //读操作
public static final int OP_WRITE = 1 << 2; //写操作
public static final int OP_CONNECT = 1 << 3; //连接操作
public static final int OP_ACCEPT = 1 << 4; //接收操作

选择器的检查

我们可以通过选择器的检查方法，如select()来得知发生事件的通道数量，当该数量大于为0时，即至少有一个通道发生了事件，就可以使用selectedKeys()方法来获取所有发生事件的通道对应的SelectionKey，通过SelectionKey中的方法来判断对应通道中需处理的事件类型是什么，在根据事件做出相应的处理。

public final boolean isReadable() { //判断是否是读操作
    return (readyOps() & OP_READ) != 0;
}

public final boolean isWritable() { //判断是否是写操作
    return (readyOps() & OP_WRITE) != 0;
}

public final boolean isConnectable() { //判断是否是连接操作
    return (readyOps() & OP_CONNECT) != 0;
}

public final boolean isAcceptable() { //判断是否是接收操作
    return (readyOps() & OP_ACCEPT) != 0;
}

三、异步非阻塞I/O(AIO)：

Asynchronization I/O 异步非阻塞I/O

一般来说，服务器端的I/O主要有两种情况：一是来自网络的I/O；二是对文件(设备)的I/O。

Windows的异步I/O模型能很好的适用于这两种情况。

Linux针对前者提供了epoll模型，针对后者提供了AIO模型(关于是否把两者统一起来争论了很久)。

• Linux Native AIO 服务器实现模式为一个有效请求一个线程，

• AIO是真正的异步IO操作：允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成。

• AIO的基本思想：

  • 允许进程发起很多I/O操作，而不用阻塞或等待任何操作完成，稍后或在接收到I/O操作完成通知时，进程可以检索I/O操作结果
  • 在异步非阻塞I/O中，我们可以同时发起多个传输操作，这需要每个传输操作都有唯一的上下文，这样我们才能在他们完成时区分到底是哪个传输操作完成了，这个工作可以通过aiocb结构体进行区分。

  

客户端的IO请求都是由操作系统先完成了再通知服务器用其启动线程进行处理。

由于操作系统的Read和Write操作是异步的，所以AIO操作是真正异步的。

AIO方式适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，jdk1.7开始支持。

四、IO与NIO区别：

IO面向流，NIO面向缓冲区

IO的各种流是阻塞的，NIO是非阻塞模式

Java NIO的选择允许一个单独的线程来监视多个输入通道，可以注册多个通道使用一个选择器，然后使用一个单独的线程来“选择”通道：这些通道里已经有可以处理的输入或选择已准备写入的通道。这种选择机制，使得一个单独的线程很容易来管理多个通道

五、同步与异步的区别：

同步：发送一个请求，等待返回，再发送下一个请求，同步可以避免出现死锁，脏读的发生。

异步：发送一个请求，不等待返回，随时可以再发送下一个请求，可以提高效率，保证并发。

同步异步关注点在于消息通信机制，

阻塞与非阻塞关注的是程序在等待调用结果时（消息、返回值）的状态：

• 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。

• 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程

不同层次：

CPU层次：操作系统进行IO或任务调度层次，现代操作系统通常使用异步非阻塞方式进行IO（有少部分IO可能会使用同步非阻塞），即发出IO请求后，并不等待IO操作完成，而是继续执行接下来的指令（非阻塞），IO操作和CPU指令互不干扰（异步），最后通过中断的方式通知IO操作的完成结果。

线程层次：操作系统调度单元的层次，操作系统为了减轻程序员的思考负担，将底层的异步非阻塞的IO方式进行封装，把相关系统调用（如read和write）以同步的方式展现出来，然而同步阻塞IO会使线程挂起，同步非阻塞IO会消耗CPU资源在轮询上，3个解决方法；

多线程（同步阻塞）

IO多路复用（select、poll、epoll）

直接暴露出异步的IO接口，kernel-aio和IOCP(异步非阻塞)

Linux IO模型：

阻塞/非阻塞：等待I/O完成的方式，阻塞要求用户程序停止执行，直到IO完成，而非阻塞在IO完成之前还可以继续执行。

同步/异步：获知IO完成的方式，同步需要时刻关心IO是否完成，异步无需主动关心，在IO完成时它会收到通知。