面试官：BIO、NIO、AIO之间有什么区别？

在计算机中，IO 传输数据有三种工作方式，分别是： BIO、NIO、AIO。,在讲解 BIO、NIO、AIO 之前，我们先来回顾一下这几个概念：同步与异步，阻塞与非阻塞。,同步与异步的区别,阻塞和非阻塞的区别,而我们要讲的 BIO、NIO、AIO 就是同步与异步、阻塞与非阻塞的组合。,不同的工作方式，带来的传输效率是不一样的，下面我们以网络 IO 为例，一起看看不同的工作方式下，彼此之间有何不同。,BIO 俗称同步阻塞 IO，是一种非常传统的 IO 模型，也是最常用的网络数据传输处理方式，优点就是编程简单，但是缺点也很明显，I/O 传输性能一般比较差，CPU 大部分处于空闲状态。,采用 BIO 通信模型的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听所有客户端的连接，当服务端接受到多个客户端的请求时，所有的客户端只能排队等待服务端一个一个的处理。,BIO 通信模型图如下！,图片,一般在服务端通过while(true)循环中会调用accept() 方法监听客户端的连接，一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待同当前连接的客户端的操作执行完成。,服务端操作，样例程序如下：,客户端操作，样例程序如下：,最后，依次启动服务端、客户端，看看控制台输出情况如何。,服务端控制台结果如下：,客户端控制台结果如下：,随着客户端的请求次数越来越多，可能需要排队的时间会越来越长，因此是否可以在服务端，采用多线程编程进行处理呢？,答案是，可以的！,下面我们对服务端的代码进行改造，服务端多线程操作，样例程序如下：,依次启动服务端、客户端，服务端控制台输出结果如下：,当服务端接收到客户端的请求时，会给每个客户端创建一个新的线程进行链路处理，处理完成之后，通过输出流返回应答给客户端，最后线程会销毁。,但是这样的编程模型也有很大的弊端，如果出现 100、1000、甚至 10000 个客户端同时请求服务端，采用这种编程模型，服务端也会创建与之相同的线程数量，线程数急剧膨胀可能会导致线程堆栈溢出、创建新线程失败等问题，最终可能导致服务端宕机或者僵死，不能对外提供服务。,为了解决上面提到的同步阻塞 I/O 面临的一个链路需要一个线程处理的问题，后来有人对它的编程模型进行了优化。,在服务端通过使用 Java 中ThreadPoolExecutor线程池机制来处理多个客户端的请求接入，防止由于海量并发接入导致资源耗尽，让线程的创建和回收成本相对较低，保证了系统有限的资源得以控制，实现了 N （客户端请求数量）大于 M （服务端处理客户端请求的线程数量）的伪异步 I/O 模型。,伪异步 IO 模型图，如下图：,图片,采用线程池和任务队列可以实现一种叫做伪异步的 I/O 通信框架，当有新的客户端接入时，将客户端的 Socket 封装成一个 Task 投递到线程池中进行处理。,服务端采用线程池处理客户端请求，样例程序如下：,依次启动服务端、客户端，服务端控制台输出结果如下：,本例中测试的客户端数量是 10，服务端使用 java 线程池来处理任务，线程数量为 5 个，服务端不用为每个客户端都创建一个线程，由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。,在活动连接数不是特别高的情况下，这种模型还是不错的，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。,但是，它的底层仍然是同步阻塞的 BIO 模型，当面对十万甚至百万级请求接入的时候，传统的 BIO 模型无能为力，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。,NIO，英文全称：Non-blocking-IO，一种同步非阻塞的 I/O 模型。,在 Java 1.4 中引入，对应的代码在java.nio包下。,与传统的 IO 不同，NIO 新增了 Channel、Selector、Buffer 等抽象概念，支持面向缓冲、基于通道的 I/O 数据传输方法。,NIO 模型图，如下图：,图片,与此同时，NIO 还提供了与传统 BIO 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。,NIO 这两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。阻塞模式使用就像传统中的 BIO 一样，比较简单，但是性能和可靠性都不好；非阻塞模式正好与之相反。,对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞 I/O 来提升开发效率和更好的维护性；对于高负载、高并发的（网络）应用，使用 NIO 的非阻塞模式来开发可以显著的提升数据传输效率。,在介绍样例之前，我们先看一下 NIO 涉及到的核心关联类图，如下：,图片,上图中有三个关键类：Channel 、Selector 和 Buffer，它们是 NIO 中的核心概念。,从名词上看感觉很抽象，我们还是用之前介绍的城市交通工具来继续形容 NIO 的工作方式，这里的 Channel 要比 Socket 更加具体，它可以比作为某种具体的交通工具，如汽车或是高铁、飞机等，而 Selector 可以比作为一个车站的车辆运行调度系统，它将负责监控每辆车的当前运行状态，是已经出站还是在路上等等，也就是说它可以轮询每个 Channel 的状态。,还有一个 Buffer 类，你可以将它看作为 IO 中 Stream，但是它比 IO 中的 Stream 更加具体化，我们可以将它比作为车上的座位，Channel 如果是汽车的话，那么 Buffer 就是汽车上的座位，Channel 如果是高铁上，那么 Buffer 就是高铁上的座位，它始终是一个具体的概念，这一点与 Stream 不同。,Socket 中的 Stream 只能代表是一个座位，至于是什么座位由你自己去想象，也就是说你在上车之前并不知道这个车上是否还有座位，也不知道上的是什么车，因为你并不能选择，这些信息都已经被封装在了运输工具（Socket）里面了。,NIO 引入了 Channel、Buffer 和 Selector 就是想把 IO 传输过程中涉及到的信息具体化，让程序员有机会去控制它们。,当我们进行传统的网络 IO 操作时，比如调用write()往 Socket 中的SendQ队列写数据时，当一次写的数据超过SendQ长度时，操作系统会按照SendQ 的长度进行分割的，这个过程中需要将用户空间数据和内核地址空间进行切换，而这个切换不是程序员可以控制的，由底层操作系统来帮我们处理。,而在Buffer中，我们可以控制Buffer的capacity（容量），并且是否扩容以及如何扩容都可以控制。,理解了这些概念后我们看一下，实际上它们是如何工作的呢？,我们一起来看看代码实例！,服务端操作，样例程序如下：,客户端操作，样例程序如下：,最后，依次启动服务端、客户端，看看控制台输出情况如何。,服务端控制台结果如下：,客户端控制台结果如下：,从编程上可以看到，NIO 的操作比传统的 IO 操作要复杂的多！,Selector 被称为选择器 ，当然你也可以翻译为多路复用器 。它是Java NIO 核心组件中的一个，用于检查一个或多个 Channel（通道）的状态是否处于连接就绪、接受就绪、可读就绪、可写就绪。,如此可以实现单线程管理多个 channels 的目的，也就是可以管理多个网络连接。,使用 Selector 的好处在于 ：相比传统方式使用多个线程来管理 IO，Selector 使用了更少的线程就可以处理通道了，并且实现网络高效传输！,虽然 Java 中的 nio 传输比较快，为什么大家都不愿意用 JDK 原生 NIO 进行开发呢？,从上面的代码中大家都可以看出来，除了编程复杂之外，还有几个让人诟病的问题：,但是，Google 的 Netty 框架的出现，很大程度上改善了 JDK 原生 NIO 所存在的一些让人难以忍受的问题，关于 Netty 框架应用，会在后期的文章里进行介绍。,最后就是 AIO 了，全称 Asynchronous I/O，可以理解为异步 IO，也被称为 NIO 2，在 Java 7 中引入，它是异步非阻塞的 IO 模型。,异步 IO 是基于事件回调机制实现的，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。,具体的实例如下！,服务端操作，样例程序如下：,客户端操作，样例程序如下：,同样的，依次启动服务端程序，再启动客户端程序，看看运行结果！,服务端控制台结果如下：,客户端控制台结果如下：,这种组合方式用起来十分复杂，只有在一些非常复杂的分布式情况下使用，像集群之间的消息同步机制一般用这种 I/O 组合方式。如 Cassandra 的 Gossip 通信机制就是采用异步非阻塞的方式，可以实现非常高的网络传输性能。,Netty 之前也尝试使用过 AIO，不过又放弃了！,本文主要围绕 BIO、NIO、AIO 等模型，结合一些样例代码，做了一次简单的内容知识总结，希望对大家有所帮助。,内容难免有所遗漏，欢迎留言指出！,1、JDK1.7&JDK1.8 源码,2、IBM – 许令波 -深入分析 Java I/O 的工作机制,3、Github – JavaGuide –  IO总结,4、博客园 – 五月的仓颉 –  IO和File