介绍本文前要先明确一个概念：Linux的5种IO模型和Java中的3种IO模型严格讲只是有一定联系，二者并不是等价的。学习Java IO模型建议先学习一下Linux的IO模型，有关Linux的5种IO模型可以参考我这篇文章：https://www.yuque.com/docs/share/29acd9d2-6bc2-4994-98f0-3aec42d526f0?# 《Linux的5种IO模型》。

1、概述

前面介绍过操作系统的五种IO模型，这里的Java IO模型跟操作系统的IO模型有什么关联呢？Java中主要有三种IO模型，分别是阻塞IO(BIO)、非阻塞IO（NIO）和异步IO(AIO)。Java中提供的IO有关的API，底层都是依赖于操作系统的IO操作实现的，可以把Java中的BIO、NIO和AIO理解为Java语言对操作系统的各种IO模型的封装，程序员在使用这些IO相关的API时，不需要关心操作系统层面的知识，也不需要根据不同的操作系统编写不同的代码，只需要使用Java的IO相关的API即可。

一些概念的区分：

  • 同步：同步是指发起一个调用后，被调用者未处理完请求之前，调用不返回；
  • 异步：异步是指发起一个调用后，被调用者立刻返回一个结果表明自己已经收到请求，但是调用者不会返回真正的结果，此时调用者可以发起其他请求，被调用者通过回调机制等通知调用者真正的结果。

同步和异步最大的区别在于：同步是调用方需要主动地向被调用方获取信息，异步是指被调用方通过回调等机制通知调用方信息。

  • 阻塞：调用方线程在等待结果的过程中，线程被挂起，不能处理其他事情，直到结果返回；
  • 非阻塞：调用方线程在等待结果的过程中，线程没有被挂起，调用方线程可以去做其他事情。

阻塞和非阻塞最大的区别在于：阻塞是调用方线程在调用过程中不能做其他事情，而非阻塞是调用方线程在调用过程中可以做其他事情。
同步/异步强调的是消息如何返回给调用方，阻塞/非阻塞强调的是调用方线程在请求过程中是否处于挂起状态。
举例：

  • 同步阻塞：去医院挂号，医院的铃坏了，你担心错过叫号什么事情也不做就在那等（阻塞），眼睛一直盯着叫号屏幕看是否轮到自己就诊了（同步）；
  • 同步非阻塞：去医院挂号，医院的铃坏了，你看人多就开始玩手机（非阻塞），同时眼睛时不时扫一下叫号屏幕看是否轮到自己了（同步）；
  • 异步阻塞：去医院挂号，医院的铃是好的，你担心错过叫号什么事情也不做就在那等（阻塞），同时叫号铃会定时进行广播提示（异步）；
  • 异步非阻塞：去医院挂号，医院的铃是好的，你此时一会玩会手机，一会看会电视剧（非阻塞），同时叫号铃会定时广播提示把排队信息传递给你（异步）。

    2、BIO

    2.1 BIO的运行模型

    下篇文章中介绍的Java传统IO，比如InputStream/OutPutStream、Writer/Reader都是BIO，同步阻塞式IO。BIO的运行模式如下：
  1. 当一个http请求过来时，服务器立马调用serverSocket.accept(）接收一个socket，然后服务器从线程池中取一个线程并且将这个socket传给这个线程处理；
  2. 这个线程会调用serverSocket.read()读取socket中携带的数据流，然后将读取的数据流根据http协议解析成httprequest对象，然后将这个对象交给serverlet处理；
  3. 当servlet处理完毕之后，该线程将处理后返回的数据调用serverSocket.write()写回客户端。

阻塞在这个过程体现在读写两个方面：

  1. 一般网络IO操作都比较慢，比如线程在读取数据时，因为IO操作比较慢，所以线程要等到数据包在内核空间准备就绪后再发起读请求，数据在内核空间中准备期间，线程一直处于阻塞状态；

  2. 当线程向外写数据时，因为IO处理比较慢，因此要等待IO把数据都输出完毕并且关闭socket后才释放这个线程，在此期间线程一直处于阻塞状态。

    2.2 BIO模型存在的问题

    在BIO模型中，一个socket连接对应线程池中的一个线程，当有多个socket连接过来时，BIO需要使用多线程处理，由于socket.accept()、socket.read()、socket.write()三个主要函数都是同步阻塞的，当一个连接在处理I/O的时候，这个socket连接对应的线程是阻塞状态，这样线程的利用率并不高。
    BIO模型最大的问题也正是严重依赖于线程，但是线程是是很”贵”的资源，主要表现在：

  3. 线程的创建和销毁成本很高，在Linux这样的操作系统中，线程本质上就是一个进程。创建和销毁都是重量级的系统函数；

  4. 线程本身占用较大内存，像Java的线程栈，一般至少分配512K～1M的空间，如果系统中的线程数过千，恐怕整个JVM的内存都会被吃掉一半；
  5. 线程的切换成本是很高的。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。如果线程数过高，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往往是系统load偏高、CPU sy使用率特别高（超过20%以上)，导致系统几乎陷入不可用的状态；
  6. 容易造成锯齿状的系统负载。因为系统负载是用活动线程数或CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求的结果同时返回，激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。

BIO模型的痛点是过于依赖线程，当请求连接很多时，线程池中会存在上千线程，线程过多会带来上述四个问题，因此如何提高单个线程的利用率，让一个线程能处理多个socket链接是一个改进方向，NIO正是为了解决这个问题提出。

3、NIO

NIO是一种同步非阻塞模型，确切地讲Java的NIO模型对应的是操作系统的IO多路复用模型。Java 1.4中引入了NIO框架，对应java.nio包，提供了Channel、Buffer、Selector等抽象概念和对应的实现类。NIO模型中，在IO操作尚未就绪时，不阻塞读线程或者写线程，而是让这个线程去处理已经就绪好的IO操作，这样一个线程可以处理对应多个socket，提高了线程利用率。BIO中一个线程对应一个socket，NIO中一个线程可以对应多个socket。

3.1 NIO中的三个核心组件

3.1.1 Buffer（缓冲区）

传统的BIO面向流，而NIO面向缓冲区。在面向流的I/O中，可以将数据直接写入或者将数据直接读到 Stream 对象中，虽然 Stream 中也有 Buffer 开头的扩展类，但只是流的包装类，本质上还是流的处理。
Buffer是NIO类库的一个类，在NIO厍中，所有数据都是用缓冲区处理的。在读取数据时，它是直接读到缓冲区中的；在写入数据时，写入到缓冲区中。任何时候访问NIO中的数据，都是通过缓冲区进行操作。

3.1.2 Channel（通道）

NIO 通过Channel（通道） 进行读写。通道是双向的，可读也可写，而流的读写是单向的。无论读写，Channel只能和Buffer交互。因为 Buffer，通道可以异步地读写。
通常来说NIO中的所有IO都是从Channel开始的，如下:

  1. 从Channel中进行数据读取：创建一个Buffer，然后请求Channel读取数据；
  2. 从Channel进行数据写入：创建一个Buffer，填充数据，并要求Channel写入数据。

数据读取和写入操作如下图：
Java IO模型 - 图1

3.1.3 Selectors（选择器）

Selectors的概念是NIO中有而BIO没有的概念。Selectors对应IO多路复用模型中的select函数，一个socket对应一个Channel，一个Channel对应一个Buffer，一个selectors对应多个Channel，由一个线程轮询地遍历selectors，如下图所示：
NIO.png

3.2 NIO的运行模型

  1. 当一个http请求过来时，服务器立马将接收到的socket交给一个Channel，由这个Channel保持和客户端的连接状态；
  2. 随后这个Channel会向selectors注册一个连接事件，但此时不会调用线程让线程操作IO流，当Channel将所有的数据都写入到自己的Buffer中后，会向selectors注册一个读事件；
  3. 服务端的一个线程遍历selectors时会发现有一个读事件，此时才会调用线程池中的线程，将Channel传给这个线程，让线程去读取Buffer中已准备好的数据，并解析数据调用servlet处理数据；
  4. 等这个线程将数据返回时，会将返回的数据写入到这个Channel对应的Buffer中，然后向selectors注册一个写事件，此时线程无需等待数据全部输出后再释放，可以直接释放线程；

  5. 服务端的一个线程遍历selectors时发现这个写事件，此时会将Channel中的Buffer中的数据输出给客户端。

    3.3 NIO和IO的区别

  6. IO相关的类在java.io包下；NIO是Java 1.4才引入的，在java.nio包下；

  7. IO是对应BIO，是同步阻塞模型；NIO是同步非阻塞模型，从实现上讲是多路IO复用模型；
  8. IO是面向流的；NIO是面向缓冲区Buffer的，且NIO引入了Buffer、Channel和Selectors的概念；
  9. IO中一个线程对应一个socket；NIO中一个线程对应多个socket，NIO中线程的利用率更高，当并发数很高时NIO不会像IO起过多的线程，避免给CPU带来过大的开销以及占用过多的内存资源；
  10. IO中的流是单向的，分为输入流和输出流；NIO中的Channel是双向的，没有针对输入和输出做区分。

    4、AIO

    AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2，它是异步非阻塞的IO模型。Netty虽然也尝试使用AIO，但后来放弃了，目前Netty还是以NIO为IO模型。

    参考

    常见的 IO 模型有哪些？Java 中的 BIO、NIO、AIO 有啥区别？
    BIO,NIO,AIO 总结
    JavaIO四大模型：NIO(IO多路复用)
    同步阻塞 同步非阻塞 异步阻塞 异步非阻塞
    Java中三种IO模式Bio,Nio,Aio 以及 Tomcat中的 Bio, Nio,Apr模式
    Java NIO浅析