Java编程中的IO模型详解：BIO，NIO，AIO的区别与实际应用场景分析

IO模型

IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java 共支持3种网络编程IO 模式：BIO,NIO,AIO

BIO(Blocking lO)

同步阻塞模型，一个客户端连接对应一个处理线程

代码示例：

package com.tuling.bio;
import java.io.IOException;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class SocketServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000);while (true) {System.out.println("等待连接。。");//阻塞方法Socket clientSocket = serverSocket.accept();System.out.println(" 有客户端连接了。。");handler(clientSocket);/*new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {handler(clientSocket);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}}).start();*/}}private static void handler(Socket clientSocket) throws IOException {byte[] bytes = new byte[1024];System.out.println("准备read。。");//接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞int read = clientSocket.getInputStream().read(bytes);System.out.println("read完毕。。");if (read != -1) {socket.close();}}
}

缺点：

1、IO代码里read操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源

2、如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大，比如C10K问题

应用场景：

BIO 方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，但程序简单易理解。

NIO(Non Blocking IO)

同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求(连接) ，客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器selector上，多路复用器轮询到连接有IO请求就进行处理，JDK1.4开始引入。

应用场景：

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，弹幕系统，服务器间通讯，编程比较复杂

NIO非阻塞代码示例：

package com.tuling.nio;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;public class NioServer {// 保存客户端连接static List<SocketChannel> channelList = new ArrayList<>();public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {// 创建NIO ServerSocketChannel,与BIO的serverSocket类似ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));// 设置ServerSocketChannel为非阻塞   serverSocket.configureBlocking(false);System.out.println("服务启动成功");while (true) {// 非阻塞模式accept方法不会阻塞// NIO的非阻塞是由操作系统内部实现的，底层调用了linux内核的accept函数SocketChannel socketChannel = serverSocket.accept();if (socketChannel != null) { // 如果有客户端进行连接System.out.println("连接成功");// 设置SocketChannel为非阻塞socketChannel.configureBlocking(false);// 保存客户端连接在List中channelList.add(socketChannel);}// 遍历连接进行数据读取Iterator<SocketChannel> iterator = channelList.iterator();while (iterator.hasNext()) {SocketChannel sc = iterator.next();ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);// 非阻塞模式read方法不会阻塞，否则会阻塞int len = sc.read(byteBuffer);// 如果有数据，把数据打印出来if (len > 0) {System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));} else if (len == -1) { // 如果客户端断开，把socket从集合中去掉iterator.remove();System.out.println("客户端断开连接");}}}}
}

总结：如果连接数太多的话，会有大量的无效遍历，假如有10000个连接，其中只有1000个连接有写数据，但是由于其他9000个连接并没有断开，我们还是要每次轮询遍历一万次，其中有十分之九的遍历都是无效的，这显然不是一个让人很满意的状态。

NIO引入多路复用器代码示例：

package com.tuling.nio;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SelectionKey;
import java.nio.channels.Selector;
import java.nio.channels.ServerSocketChannel;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class NioSelectorServer {public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {// 创建NIO ServerSocketChannelServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();serverSocket.socket().bind(new InetSocketAddress(9000));// 设置ServerSocketChannel为非阻塞serverSocket.configureBlocking(false);// 打开Selector处理Channel，即创建epollSelector selector = Selector.open();// 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("服务启动成功");while (true) {// 阻塞等待需要处理的事件发生selector.select();// 获取selector中注册的全部事件的 SelectionKey 实例Set<SelectionKey> selectionKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = selectionKeys.iterator();// 遍历SelectionKey对事件进行处理while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();// 如果是OP_ACCEPT事件，则进行连接获取和事件注册if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel socketChannel = server.accept();socketChannel.configureBlocking(false);// 这里只注册了读事件，如果需要给客户端发送数据可以注册写事件socketChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ);System.out.println("客户端连接成功");} else if (key.isReadable()) { // 如果是OP_READ事件，则进行读取和打印SocketChannel socketChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate(128);int len = socketChannel.read(byteBuffer);// 如果有数据，把数据打印出来if (len > 0) {System.out.println("接收到消息：" + new String(byteBuffer.array()));} else if (len == -1) { // 如果客户端断开连接，关闭SocketSystem.out.println("客户端断开连接");socketChannel.close();}}//从事件集合里删除本次处理的key，防止下次select重复处理iterator.remove();}}}
}

NIO 有三大核心组件： Channel(通道) ， Buffer(缓冲区) ，Selector(多路复用器)

1、channel 类似于流，每个 channel 对应一个 buffer缓冲区，buffer 底层就是个数组

2、channel 会注册到 selector 上，由 selector 根据 channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理 3、NIO 的 Buffer 和 channel 都是既可以读也可以写

总结：NIO整个调用流程就是Java调用了操作系统的内核函数来创建Socket ，获取到Socket的文件描述符，再创建一个Selector 对象，对应操作系统的Epoll描述符，将获取到的Socket连接的文件描述符的事件绑定到Selector对应的Epoll文件描述符上，进行事件的异步通知，这样就实现了使用一条线程，并且不需要太多的无效的遍历，将事件处理交给了操作系统内核(操作系统中断程序实现) ，大大提高了效率。

AIO(NIO 2.0)

异步非阻塞，由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理，一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用

应用场景：

AIO方式适用于连接数目多且连接比较长(重操作)的架构，JDK7 开始支持

AIO代码示例：

package com.tuling.aio;import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;public class AIOServer {public static void main(String[] args) throws Exception {final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000));serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {@Overridepublic void completed(AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) {try {System.out.println("2 - " + Thread.currentThread().getName());serverChannel.accept(attachment, this);System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress());ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {System.out.println("3 - " + Thread.currentThread().getName());buffer.flip();System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()));}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {exc.printStackTrace();}});} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Object attachment) {exc.printStackTrace();}});System.out.println("1 - " + Thread.currentThread().getName());Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);}
}

package com.tuling.aio;import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;public class AIOClient {public static void main(String... args) throws Exception {AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open();socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get();socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()));ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512);Integer len = socketChannel.read(buffer).get();if (len != -1) {System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len));}}
}

BIO、 NIO、 AlO 对比：