Java中BIO、NIO、AIO详解

参考：
https://blog.csdn.net/s2152637/article/details/98777686
https://blog.csdn.net/bigorsmallorlarge/article/details/137292669

1、几个基本概念

• Java中IO模型简介

在Java中，主要有三种IO模型，分别是：

• 同步阻塞IO（BIO）
• 同步非阻塞IO（NIO）
• 异步IO（AIO）

• 同步与异步

• 同步：同步就是发起一个调用后，被调用者未处理完请求之前，调用不返回。
• 异步：异步就是发起一个调用后，立刻得到被调用者的回应表示已接收到请求，但是被调用者并没有返回结果，此时我们可以处理其他的请求，被调用者通常依靠事件，回调等机制来通知调用者其返回结果。
• 同步和异步的区别最大在于异步的话调用者不需要等待处理结果，被调用者会通过回调等机制来通知调用者其返回结果。

• 阻塞和非阻塞

• 阻塞： 阻塞就是发起一个请求，调用者一直等待请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
• 非阻塞：非阻塞就是发起一个请求，调用者不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情。

注意：

Java 中的 BIO、NIO和 AIO 理解为是 Java 语言对操作系统的各种 IO 模型的封装。
Java中提供的IO有关的API，在文件处理的时候，其实依赖操作系统层面的IO操作实现的

2、BIO（Blocking IO）

• 同步阻塞：BIO是同步阻塞的，意味着每当有一个IO操作发生时，线程都会被阻塞，直到操作完成。
• 面向流：BIO面向流进行数据读写，数据处理通常在单个线程中完成。
• 性能问题：对于大量的并发请求，BIO会因为每个请求都需要独立的线程而性能受限。

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。
Java中的BIO分为两种：

• 1、传统 BIO：一请求一应答
• 2、伪异步 IO：通过线程池固定线程的最大数量，防止资源的耗费。

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。

3、NIO（Non-blocking IO）

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。

• 异步非阻塞：NIO是异步非阻塞的，允许一个线程处理多个IO操作，因此在高并发环境下性能更好。
• 面向缓冲区：NIO使用缓冲区进行数据操作，可以一次性读取或写入大量数据。
• 多线程支持：NIO可以通过多线程来提高性能，它可以很方便地实现多线程环境下的大量数据处理。

NIO的优势

• 线程模型：NIO使用多线程模型，可以显著提高IO密集型应用的性能。
• 非阻塞操作：允许线程在等待IO操作完成时进行其他任务，提高了资源利用率。
• 面向缓冲区：通过使用缓冲区，NIO可以减少系统调用次数，提高数据处理效率。
• 选择器：NIO中的选择器允许一个线程监控多个通道的IO事件，从而简化了多路复用。

NIO适用于以下场景

• 高并发服务器：如Web服务器、应用服务器等，需要处理大量并发请求。
• 大数据处理：如文件系统的读写操作，需要高效地处理大量数据。
• 网络编程：特别是在需要使用多路复用的场景，例如实现一个高效的TCP/UDP服务器。

总的来说，NIO提供了比BIO更高效的IO处理方式，特别是在处理大量并发请求和高并发场景下。通过使用缓冲区和选择器，NIO能够减少线程阻塞和系统调用次数，从而提高了性能和资源利用率。

在高并发应用中实现NIO通常涉及到使用Java的java.nio包中的类和接口。以下是一些关键的步骤和组件，它们帮助你在高并发应用中实现NIO：

• 缓冲区（Buffers）：
  使用缓冲区来减少系统调用和提高数据处理效率。例如，ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer等。

• 通道（Channels）：
  通道是NIO中用于IO操作的对象，它们提供了一个非阻塞的方式来读写数据。常用的通道有FileChannel、SocketChannel和ServerSocketChannel。

• 选择器（Selectors）：
  选择器用于监控多个通道的IO事件，如连接接入、数据读取等。一个线程可以使用一个选择器来处理多个通道。

• 多线程：
  在高并发应用中，通常需要使用多个线程来处理不同的通道和任务。

• 事件驱动编程：
  NIO采用事件驱动的方式来进行IO操作，这使得线程可以在等待IO操作完成时进行其他任务。

4、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。

注意：

只有AIO是异步操作，BIO和NIO都是同步操作。

有人会提问，NIO不是在缓冲区存放数据吗？所以不应该是异步操作吗？
我们把读写数据分成两部分，第一部分为数据准备，即读写数据之前需要创建各种相关的对象，还要提供数据。第二部分为数据拷贝，即通过输入输出流读写数据或者通过通道想缓冲取读写数据。
NIO只是再第一部分数据准备阶段是异步操作，在数据拷贝阶段还是同步操作的。所以总的来说NIO还是同步操作，因此才叫同步非阻塞IO。