概述

## 1 简介

1. NIO 中的 N 可以理解为 Non-Blocking，是**一种同步非阻塞的 I/O 模型**，**在 JDK 1.4 中引入了 NIO 框架**，**对应于 `java.nio` 包**，**提供了 `Channel`、`Selector`、`Buffer` 等抽象**。
2. 他**支持面向缓冲的**、**基于通道的 I/O 操作方法**，**提供了与传统 I/O 模型中的 `Socket` 和 `ServerSocket` 相对应的 `SocketChannel` 和 `ServerSocketChannel` 两种不同的套接字通道实现**，这两种通道**都支持阻塞和非阻塞两种模式**：
   1. 阻塞模式就像传统中的支持一样，比较**简单**，但是**性能和可靠性都不好**，一般**用于低负载**、**低并发的应用程序**，以此来**提升开发速度和可维护性**。
   2. 非阻塞模式正好与之相反，一般**用于高负载**、**高并发的**（网络）**应用**，以此来**提升高性能和可靠性**。

## 2 BIO、NIO、AIO 的区别

> 底层原理可参考[五种 IO 模型](https://notebook.ricear.com/project-26/doc-335/#3-%E4%BA%94%E7%A7%8D-IO-%E6%A8%A1%E5%9E%8B)，下面介绍的主要是 Java 中 BIO、NIO、AIO 的区别。

### 2.1 BIO 是阻塞的，NIO 是非阻塞的

1. BIO 的各种流是**阻塞的**，这就意味着，**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**，**在此期间**，**该线程不能再干其他任何事**，因此**在任何时候都可能有大量的线程处于休眠状态**，**只是等待输入或者输出就绪**，这**可以算为对资源的一种浪费**，
2. NIO 使我们可以进行**非阻塞**IO 操作，比如说，**单线程从通道读取数据到 Buffer**，同时**可以继续做别的事**，当**数据读取到 Buffer 中后**，线程**再进行处理数据**，写数据也是一样的，**一个线程请求写入一些数据到某通道**，但**不需要等待他完全写入**，这个线程**可以同时去做别的事情**，这样**可以提高线程的利用效率**。

### 2.2 BIO 是面向流（Stream Oriented）的，NIO 是面向缓冲区（Buffer Oriented）的

1. Buffer 是**一个可以读写数据的内存块**，可以理解成一个**容器对象**（含数组），该对象**提供了一组方法**，**可以更轻松地使用内存块**，缓冲区对象**内置了一些机制**，**能够跟踪和记录缓冲区的状态变化**。
2. 在 NIO 类库中加入 Buffer 对象，体现了 NIO 与 BIO 的一个重要区别：
   1. 在面向流的 BIO 中可以**将数据直接写入或者直接读到 Stream 对象中**，**每次从流中读取一个或者多个字节**，**直至读取完所有的字节**。
   2. 在 NIO 库中，**所有数据都是用缓冲区处理的**，在**读取数据时**，他是**直接读缓冲区中的数据**，在**写入数据时**，也是**直接写到缓冲区中**，**任何时候访问 NIO 中的数据**，**都是通过缓冲区进行操作**，因此**在操作上更加灵活**，**读取速度也更加快**。
3. NIO 的 Buffer 除了做**缓冲块优化**之外，还**提供了一个可以直接访问物理内存的类 `DirectBuffer`**：
   1. **普通的 Buffer 分配的是[JVM 堆内存](https://notebook.ricear.com/project-34/doc-541/#1-2-%E5%A0%86%E5%86%85%E5%AD%98)**，而`DirectBuffer`**是直接分配物理内存**。
   2. **数据要输出到外部设备**，**必须先从用户空间复制到内核空间**，**再复制到输出设备**，而**则是直接将步骤简化为从内核空间复制到外部设备**，**减少了数据拷贝**。
   3. 但是**由于 `DirectBuffer` 申请的是非 JVM 物理内存**，**所以创建和销毁的代价很高**，**不是直接由 JVM 负责垃圾回收**，而是**通过 Java 引用机制来释放该内存块**。

### 2.3 NIO 通过 Channel 进行读写

1. 传统 IO 的流都是**单向**的，因此他们需要分为`Input Stream` 和`Output Stream`。
2. 而 NIO 中的 Channel 是**双向**的，**数据可以从 Channel 读到 Buffer 中**（使用`read()` 方法），**也可以从 Buffer 写到 Channel**（使用`write()` 方法）。
3. Channel 也**可以设置为非阻塞模式**，此时**当 Channel 从 Buffer 中读取数据时**，**如果有待读取的数据**，**则返回该数据**，**如果没有待读取的数据**，**对应的方法也不会被阻塞**，**而是直接返回**。![https://github.com/heibaiying](/media/202108/2021-08-23_1421330.6111752116340494.png)

### 2.4 NIO 有 Selector 实现多路复用，而 BIO 没有

1. Java NIO**实现了 IO 多路复用中的 Reactor 模型**：

1. **一个线程使用一个 Selector 通过轮询的方式去监听多个 Channel 上的事件**（`accept`、`read`），**如果某个 Channel 上面发生监听事件**，**这个 Channel 就处于就绪状态**，**然后进行 IO 操作**。
   2. **可以将监听的 Channel 配置为非阻塞**，**这样当 Channel 上的 IO 事件还未到达时**，**就不会进入阻塞状态一直等待**，**而是继续轮询其他 Channel**，**找到 IO 事件已经到达的 Channel 执行**。
   3. 因为创建和切换线程的开销很大，所以**使用一个线程来处理多个事件**，**减少了线程之间的切换**，**提高了系统的效率**。

> 需要注意的是：
      >
      > 1. **只有 `SocketChannel` 才能配置为非阻塞**，而`FileChannel`**不能**，因为`FileChannel`**配置非阻塞也没有意义**。
      > 2. **目前操作系统的[IO 多路复用](https://notebook.ricear.com/project-26/doc-335)机制都是用了[epoll](https://notebook.ricear.com/project-26/doc-335/#3-3-2-3-epoll)**，**相比传统的 select 机制**，**epoll 没有最大连接句柄 1024 的限制**，所以**Selector 在理论上可以轮询成千上万的客户端**。
      >

![https://github.com/heibaiying](/media/202108/2021-08-23_1425060.6312594694492627.png)

### 2.5 AIO 是真正意义上的异步 IO

1. AIO 是**一种异步非阻塞的通信模式**，**实现了真正意义上的异步 IO**，**直接将 IO 操作交给操作系统进行异步处理**。

## 3 三种 IO 的适用场景

1. BIO 方式适用于**连接数目少且固定**的架构，**程序直观简单易理解**，是 JDK 1.4 以前的唯一选择。
2. 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，**编程比较复杂**，JDK 1.4 开始支持。
3. 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，**充分调用操作系统参与并发操作**，**编程比较复杂**，JDK 1.7 开始支持。

## 参考文献

1. [offer 快到碗里来-Netty 核心面试题 15 连问](https://www.nowcoder.com/discuss/648088)。
2. [Java NIO](https://dunwu.github.io/javacore/io/java-nio.html)。
3. [Java BIO NIO AIO](https://weikeqin.com/2019/07/08/java-bio-nio-aio)。
4. [Java NIO 核心组件全解](https://juejin.cn/post/6855129006631550990)。