NIO(New IO)和BIO(Blocking IO)的区别

Java中的NIO（New IO）和BIO（Blocking IO）的区别及NIO的核心组件

Java中的NIO（New IO）和BIO（Blocking IO）是两种不同的网络通信模型，各自具有独特的特性和适用场景。下面将详细探讨它们之间的区别以及NIO的核心组件。

BIO（Blocking IO）

BIO是Java最早的I/O模型，也是最简单的一种。在BIO模型中，每个I/O操作都会阻塞当前线程，直到数据准备就绪或者超时，才会继续执行下一步操作。这意味着如果有大量的并发连接，就需要创建大量的线程来处理这些连接，会造成资源浪费和性能下降。

BIO通常采用的是一对一的客户端-服务器模型，即每个客户端连接都需要对应一个服务器端的线程来处理。这样的模型适用于连接数较少且连接持续时间较长的场景，但不适合高并发、短连接的场景。例如，传统的Web服务器在处理HTTP请求时，如果采用BIO模型，那么每个客户端连接都需要一个独立的线程来处理，当并发连接数增加时，服务器的线程资源会迅速耗尽，性能会急剧下降。

BIO的优点是简单易懂，编程复杂度较低，适用于连接数较少且连接持续时间较长的场景。然而，在高并发情况下，BIO的性能较差，资源消耗大，因此在实际应用中逐渐被NIO等更高效的模型所取代。

NIO（New IO）

NIO是Java在JDK 1.4引入的新的I/O模型，相比于BIO，它提供了更为灵活和高效的网络编程方式。NIO的核心组件包括通道（Channel）、缓冲区（Buffer）和选择器（Selector）。

1. 通道（Channel）

通道是Java NIO中用于数据读写的对象，类似于传统I/O中的流。但与传统I/O的流不同，通道支持非阻塞I/O操作，并且可以同时进行读写操作。这意味着线程在等待数据完全传输过来后才能处理数据，从而提高了系统的并发性。

通道是全双工的，即它可以同时用于读和写操作。常见的通道类型包括FileChannel（用于文件读写）、DatagramChannel（用于UDP网络读写）、SocketChannel（用于TCP网络读写）和ServerSocketChannel（用于监听TCP连接）。

1. 缓冲区（Buffer）

缓冲区是NIO中用于在通道和应用程序之间传输数据的中介。它是一个对象，包含一些要写入或者读出的数据。在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或读到Stream对象中，而在NIO中，所有的数据都是用缓冲区处理的。

缓冲区实质是一个数组，通常是一个字节数组（ByteBuffer），也可以使用其他类型的数组。除了ByteBuffer，还有其他类型的缓冲区，如CharBuffer（字符缓冲区）、ShortBuffer（短整型缓冲区）、IntBuffer（整型缓冲区）、LongBuffer（长整型缓冲区）、FloatBuffer（浮点型缓冲区）和DoubleBuffer（双精度浮点型缓冲区）。

缓冲区提供了对数据的结构化访问以及维护读写位置（limit）等信息。在数据读写过程中，需要不断切换缓冲区的读写模式，如flip()方法用于将缓冲区从写模式切换到读模式，clear()方法用于清空缓冲区以便下次使用。

1. 选择器（Selector）

选择器是NIO中用于监听多个通道的事件的机制。它可以同时监听多个通道（Channel）的I/O事件，如读事件、写事件、连接事件等，使得一个单独的线程可以管理多个通道，进一步提高了系统的并发性。

选择器只能管理非阻塞的通道。当通道发生感兴趣的事件时，选择器会通知对应的线程进行处理。这样，一个线程就可以同时处理多个连接，避免了BIO模型中为每个连接创建一个线程的资源浪费。

NIO模型中的关键是非阻塞通道和选择器。通过使用单线程或少量线程配合选择器，可以实现同时处理多个连接，从而提高了系统的并发处理能力。NIO模型适用于高并发、短连接的场景，如Web服务器、游戏服务器等。它的设计理念是通过少量线程处理大量并发连接，避免了线程资源的浪费和上下文切换的开销，从而提高了系统的性能和吞吐量。

NIO的线程模型

NIO主要包含三种线程模型：Reactor单线程模型、Reactor多线程模型和主从Reactor多线程模型。

1. Reactor单线程模型

在单线程模型中，单个线程完成所有事情，包括接收客户端的TCP连接请求、读取和写入套接字数据等。这种模型适用于一些小容量应用场景，但对于高负载、大并发的应用却不合适。因为单个NIO线程同时处理成百上千的链路，性能上无法支撑，即便NIO线程的CPU负荷达到100%，也无法满足海量消息的编码、解码、读取和发送。

1. Reactor多线程模型

Reactor多线程模型与单线程模型最大的区别就是有一组NIO线程处理真实的I/O操作。该模型的特点是：

• 有一个专门的NIO线程（Acceptor线程）用于监听服务端，接收客户端的TCP连接请求。
• 网络I/O操作（读、写等）由一个NIO线程池负责。线程池可以采用标准的JDK线程池实现，它包含一个任务队列和N个可用的线程。由这些NIO线程负责消息的读取、解码、编码和发送。
• 一个NIO线程可以同时处理N条链路，但是一个链路只对应一个NIO线程，防止发生并发操作问题。

在绝大多数场景下，Reactor多线程模型都可以满足性能需求。但是，在极特殊应用场景中，一个NIO线程负责监听和处理所有的客户端连接可能会存在性能问题。例如，百万客户端并发连接，或者服务端需要对客户端的握手消息进行安全认证，认证本身非常损耗性能。在这些场景下，单独一个Acceptor线程可能会存在性能不足问题，为了解决性能问题，产生了第三种Reactor线程模型——主从Reactor多线程模型。

1. 主从Reactor多线程模型

主从Reactor多线程模型与Reactor多线程模型的最大区别就是有一组NIO线程处理连接、读写事件。该模型的特点是：

• 服务端用于接收客户端连接的不再是一个单独的NIO线程，而是一个独立的NIO线程池（Acceptor线程池）。
• Acceptor接收到客户端TCP连接请求处理完成后（可能包含接入认证等），将新创建的SocketChannel注册到I/O线程池（sub reactor线程池）的某个I/O线程上，由它负责SocketChannel的读写和编解码工作。
• Acceptor线程池仅仅只用于客户端的登陆、握手和安全认证。一旦链路建立成功，就将链路注册到后端subReactor线程池的I/O线程上，由I/O线程负责后续的I/O操作。

即从多线程模型中由一个线程来监听连接事件和数据读写事件，拆分为一个线程监听连接事件，线程池的多个线程监听已经建立连接的套接字的数据读写事件。另外和多线程模型一样，有专门的线程池处理真正的I/O操作。

NIO与BIO的比较

NIO和BIO各有优缺点，适用于不同的应用场景。

1. 编程复杂度

BIO编程简单易懂，适用于连接数较少且连接持续时间较长的场景。而NIO提供了非阻塞、多路复用的网络编程方式，编程复杂度较高，但适用于高并发、短连接的场景。

1. 性能

BIO在高并发情况下性能较差，因为每个连接都需要一个独立的线程来处理，线程资源消耗大。而NIO通过非阻塞通道和选择器，可以实现同时处理多个连接，提高了系统的并发处理能力，性能优于BIO。

1. 资源消耗

BIO在大量并发连接时，会创建大量的线程，造成资源浪费和性能下降。而NIO通过少量线程处理大量并发连接，避免了线程资源的浪费和上下文切换的开销，从而提高了系统的性能和吞吐量。

1. 适用场景

BIO适用于连接数较少且连接持续时间较长的场景，如传统的Web服务器在处理HTTP请求时。而NIO适用于高并发、短连接的场景，如现代的Web服务器、游戏服务器等。

应用场景示例

在Java生态系统中，许多中间件和框架都涉及到了NIO和BIO的使用，以实现高性能的网络通信。以下是一些常见的中间件和框架的示例：

1. Netty

Netty是一个高性能的异步事件驱动的网络应用框架，它基于NIO实现了网络通信的高性能和可扩展性。Netty广泛应用于分布式系统、即时通信系统等领域。

1. Apache MINA

Apache MINA是一个基于Java的网络应用框架，提供了可扩展的高性能的基于NIO的网络通信。它与Netty类似，但有一些不同的设计理念和API。

1. Tomcat

Tomcat是一个流行的Java Servlet容器，它在处理HTTP请求时可以选择使用NIO或BIO。通过配置Connector的协议，可以选择不同的I/O模型来处理请求，以满足应用程序的性能和需求。

1. Jetty

Jetty是另一个流行的Java Servlet容器和Web服务器，它也支持使用NIO或BIO来处理网络连接。

1. Apache HTTP Server

Apache HTTP Server是世界上最流行的Web服务器之一，它在处理HTTP请求时可以使用NIO或者传统的多线程模型。

1. Redis

Redis是一个内存数据库，它的网络通信层使用了NIO来实现高性能的异步I/O。

1. MySQL Connector/J

MySQL的Java连接器，它可以使用NIO来实现异步的数据库访问。

1. Spring Framework

Spring Framework是一个全面的Java开发框架，其中的Spring Web模块在处理HTTP请求时可以选择使用NIO或者传统的阻塞I/O。