一次带你搞懂Java中的BIO|NIO|AIO，你也可以轻松玩转！

Posted 2021-06-11 麒麟改bug

BIO

Java中BIO也成为同步阻塞IO。

同步阻塞IO模式下，服务器实现模式为一个连接对应一个线程，即：有连接请求从客户端发起时，服务器端就需要创建一个线程进行处理，如果有大量连接时，服务器就需要创建大量线程进行处理。当然可以通过线程池机制改善。

阻塞IO适用场景为：连接数较小且固定的架构模式，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，不建议在生产环境使用。

NIO（非阻塞IO）

Java中非阻塞式IO，也叫同步非阻塞IO，其通过通道和缓冲区来读写数据。通过选择器注册和获取已准备好的感兴趣的通道事件。读数据时，有多少数据就读多少数据，读完立即返回，如SocketChannel和ServerSocketChannel、Selector等。

NIO本身是基于事件驱动思想来完成的，其主要想解决的是BIO的大并发问题。NIO基于Reactor，当socket有流可读或可写入socket时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。

也就是说，这个时候，已经不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的。

NIO的最重要的地方是，当一个连接创建后，不需要对应一个线程，这个连接会被注册到多路复用器上面。所以，所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是一个请求一个线程模式。

在NIO的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源(JDBC连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有BIO一样的问题。

Java NIO 由以下几个核心部分组成：

• Channels
• Buffers
• Selectors

虽然Java NIO 中除此之外还有很多类和组件，但是，Channel，Buffer和Selector构成了核心的API。其它组件，如Pipe和FileLock，只不过是与三个核心组件共同使用的工具类。

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Channel vs Buffer

Channel和Buffer：基本上，所有的IO在NIO中都从一个Channel开始。Channel有点像流，数据可以从Channel读到Buffer中，也可以从Buffer写到Channel中。如：Channel和Buffer有好几种类型。下面是JAVA NIO中的一些主要Channel的实现：FileChannel、DatagramChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel。这些通道涵盖了UDP 和 TCP 网络IO，以及文件IO。

Java NIO里关键的Buffer实现：ByteBuffer、CharBuffer、DoubleBuffer、FloatBuffer、IntBuffer、LongBuffer、ShortBuffer、MappedByteBuffer（内存映射文件 ）。这些Buffer覆盖了能通过IO发送的基本数据类型：byte，short，int，long，float，double和char。

Channel和Buffer使用案例：改代码以随机读写方式打开nio-data.txt文件，一个字节一个字节的把文件内容读入新分配的buf缓存中。

Selector

Selector允许单线程处理多个 Channel。如果应用打开了多个连接（通道），但每个连接的流量都很低，使用Selector就会很方便。例如，在一个聊天服务器中。单线程中使用一个Selector处理3个Channel的图示：

要使用Selector，得向Selector注册Channel，然后调用它的select()方法。这个方法会一直阻塞到某个注册的通道有事件就绪。一旦这个方法返回，线程就可以处理这些事件，事件的例子有如新连接进来，数据接收等。

Selector使用案例：该案例使用Selector已订阅事件的通道进行选择，当订阅事件发生时即可另行开辟线程处理该通道事件。

AIO（异步IO）

Java中的异步IO，通过Future轮询和Callback回调两种方式来使用。

与NIO不同，当进行读写操作时，异步IO情况下，我们只需要直接调用API的read或write方法即可。这两个操作都是异步的。

• 对于读操作而言，当有流可读时，操作系统会将可读的流传入read方法的缓冲区，并通知应用程序；
• 对于写操作而言，当操作系统将write方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。

即可以理解为，read/write方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。在JDK1.7中，这部分内容被称作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四个异步通道：AsynchronousSocketChannel、

AsynchronousServerSocketChannel、AsynchronousFileChannel、AsynchronousDatagramChannel。

Future轮询模式

典型的Java通道类有AsynchronousFileChannel。来看一个例子：

该案例通过异步IO通道AsynchronousFileChannel将文件foobar.txt的内容读入buffer中，在通过Future获取结果。Java将读取文件的操作交给操作系统底层去做，自己只需要知道文件是否读取完毕就好了。其实底层JVM为执行这个任务创建了线程池和通道组。具体可以参考AsynchronousFileChannel的官方说明：

An AsynchronousFileChannel is associated with a thread pool to which tasks are submitted to handle I/O events and dispatch to completion handlers that consume the results of I/O operations on the channel. The completion handler for an I/O operation initiated on a channel is guaranteed to be invoked by one of the threads in the thread pool (This ensures that the completion handler is run by a thread with the expected identity). Where an I/O operation completes immediately, and the initiating thread is itself a thread in the thread pool, then the completion handler may be invoked directly by the initiating thread. When an AsynchronousFileChannel is created without specifying a thread pool then the channel is associated with a system-dependent default thread pool that may be shared with other channels. The default thread pool is configured by the system properties defined by the AsynchronousChannelGroup class.

Callback回调模式

Future其实本质上还是轮循的方式，回调式才是真正的AIO。其基本思想是主线程注册一个CompletionHanlder执行IO操作。CompletionHanlde将带着IO操作的结果返回到主线程中，这个结果会触发它自己的completed或者failed方法（需要重写这两个方法）：

1. void completed(V result, A attachment) - executes if a task completes with a result of type V.
2. void failed(Throwable e, A attachment) - executes if the task fails to complete due to Throwable e.

callback回调案例：

上面的例子是基于文件的AsynchronousFileChannel，但是基于网络套接字的

AsynchronousServerSocketChannel和AsynchronousSocketChannel也是一样的模式。