一、简述
BIO（Blocking I/O）、NIO（Non-blocking I/O）和AIO（Asynchronous I/O）是Java中不同类型的I/O模型。
二、BIO
在Java中，BIO（Blocking I/O）是一种同步阻塞 IO 模型，也称为传统的I/O模型。
BIO通过阻塞方式进行I/O操作，即当应用程序发起一个I/O操作（如读取或写入数据）时，该操作会一直阻塞并等待，直到数据准备就绪或写入完成。在这期间，线程将被阻塞，无法执行其他任务，直到I/O操作完成后，阻塞解除，线程恢复执行。
在BIO中，通常使用输入流（InputStream）和输出流（OutputStream）来进行读取和写入操作，通过读取或写入数据流的方式与外部资源进行交互，例如文件、网络或控制台等。
BIO的一些特点和应用场景如下：
特点：
阻塞等待：在进行读取或写入操作时，线程会被阻塞，直到I/O操作完成。同步：BIO是同步的，意味着应用程序必须等待I/O操作的完成，才能继续执行后续代码。
应用场景：
连接数少：适用于并发连接数较少的情况，例如小型服务器或客户端应用程序。连接处理时间较长：适用于每个连接的I/O操作需要较长时间完成的场景，不会引起线程数激增。
然而，BIO的一个主要缺点是它的并发能力有限。每个连接都需要创建一个独立的线程来处理，当并发连接数增加时，线程数量也会随之增加，导致系统资源消耗过多。为了充分利用多核处理能力和提高并发性能，通常需要结合使用NIO（Non-blocking I/O）或AIO（Asynchronous I/O）技术。
三、NIO
在Java中，NIO（New I/O）是一种非阻塞式的I/O模型，也称为新I/O模型。
NIO提供了一套新的I/O操作API，包括缓冲区（Buffer）、通道（Channel）、选择器（Selector）和非阻塞I/O等，相比传统的BIO（Blocking I/O）模型，它具备以下特点：
非阻塞：NIO采用非阻塞的方式进行I/O操作。当进行读取或写入操作时，线程不会被阻塞等待，而是可以继续执行其他任务，不必一直等到I/O操作完成。 通道与缓冲区：NIO使用通道（Channel）和缓冲区（Buffer）来进行数据的读取和写入。通道是对I/O源的抽象，可以连接到文件、套接字等，而缓冲区则是用来临时存放数据的区域。 选择器：NIO的选择器（Selector）是一个高效的事件多路复用机制，可以同时监控多个通道的I/O事件。通过选择器，一个线程可以监听多个通道的就绪状态，当有可读或可写事件发生时，会通知应用程序进行相应的操作。
NIO的一些特点和应用场景如下：
特点：
非阻塞等待：在进行I/O操作时，线程不会被阻塞等待数据的准备或传输。高并发性能：NIO能够使用单个线程处理多个连接，减少了线程数量和系统资源开销。
应用场景：
大量并发连接：适用于需要处理大量并发连接的场景，如高性能服务器。短连接：适合处理短时间内大量的小数据交互，如聊天服务器、即时通讯等。
需要注意的是，NIO相对于BIO而言，在编程模型上更为复杂，需要更多的代码和处理逻辑。
四、AIO
在Java中，AIO（Asynchronous I/O），也被称为NIO.2，是一种异步I/O模型。
AIO与传统的阻塞式I/O（BIO）和非阻塞式I/O（NIO）相比，更进一步地提供了一种非阻塞、异步的I/O操作方式。它的特点如下：
异步：AIO采用异步方式进行I/O操作，当应用程序发起一个I/O操作后，不会被阻塞等待操作的完成，而是继续执行后续代码。当操作完成后，通过回调机制通知应用程序。 异常处理：AIO使用回调机制处理I/O操作的结果。应用程序提交I/O操作请求后，可以继续执行其他任务，通过回调函数或者Future对象来获取I/O操作的结果。使用回调函数可以更好地处理异常情况。 高并发性能：相较于BIO和NIO，在并发连接数较多且每个连接的数据处理时间较长时，AIO能够更高效地利用线程资源，处理更多的并发连接，提供更好的性能。
AIO在Java中的实现是通过AsynchronousChannel接口和相关的类来提供的。在AIO模型中，应用程序与底层操作系统异步读写数据，并使用回调函数进行结果的处理或处理器的注册。
AIO适用于需要处理大量并发连接且每个连接的数据处理时间较长的场景，例如网络服务器、消息队列、分布式系统等。
需要注意的是，AIO的编程模型通常比较复杂，对于简单的应用场景，使用NIO已经足够，并且更方便上手。因此，在选择I/O模型时，应根据具体的应用需求和场景来决定是否使用AIO。
五、三者的区别
阻塞与非阻塞：
BIO是阻塞I/O，即在进行I/O操作时，线程会被阻塞等待数据的准备和传输，期间无法执行其他任务。NIO是非阻塞I/O，通过使用选择器（Selector）和通道（Channel）的概念，实现了可以同时处理多个I/O操作的能力。当没有数据准备好时，线程不会被阻塞，可以继续执行其他任务。AIO是异步I/O，在进行I/O操作时，调用线程不会阻塞等待数据的准备和传输，而是通过回调机制，将I/O操作的结果通知给应用程序。
并发性能：
BIO在处理并发连接时，需要为每个连接都创建一个新的线程，当连接数增多时，线程数量也会增多，导致系统资源开销大。NIO使用选择器（Selector）模式，可以使用单个线程处理多个连接，减少了线程数量和系统资源开销。AIO使用异步回调机制，不需要通过线程阻塞等待I/O结果，因此能够更高效地利用线程资源，处理更多的并发连接。
编程模型和复杂性：
BIO采用传统的同步阻塞模型，编程模型相对简单，易于理解和上手。NIO提供的是同步非阻塞模型，需要使用Selector、Channel和Buffer等API，相对于BIO略复杂，但能更好地管理多个连接。AIO采用异步非阻塞模型，通过回调机制处理I/O操作的结果，编程模型较复杂，使用起来较为繁琐。
综上所述，BIO适用于连接数较少且每个连接都有较长的数据处理时间的情况；NIO适用于连接数较多但每个连接的数据处理时间较短的情况；而AIO适用于连接数多且每个连接的数据处理时间较长，且注重扩展性和资源利用率。选择适当的I/O模型取决于具体的应用场景和需求。
下面是BIO（Blocking I/O）、AIO（Asynchronous I/O）和NIO（Non-blocking I/O）三者的区别的简要图表：
特点BIOAIONIO阻塞/异步阻塞式异步式非阻塞式I/O模式单线程模式单线程/多线程模式（由操作系统决定）单线程/多线程模式（由应用程序决定）处理方式同步I/O异步I/O同步I/O、异步I/O编程复杂性简单复杂稍复杂适用场景连接数较少、吞吐量要求不高高并发连接、长时间I/O操作高并发连接、较低的延迟、大吞吐量要求
六、IO多路复用
IO多路复用（IO Multiplexing）是一种通过单个线程可以同时监听多个I/O事件的机制，便于高效处理并发的I/O操作。它常与非阻塞I/O模型结合使用，通常由操作系统提供支持。
在传统的阻塞I/O模型中，每个I/O操作（如读取或写入）都会导致线程阻塞，而IO多路复用允许在一个线程中同时监听多个I/O通道的事件，有数据可读或可写时才会进行实际的I/O操作，从而减少了线程的阻塞等待时间，提高了并发性能。
简单总结：IO 是指网络 IO，多路指多个TCP连接(即 socket 或者 channel)，复用指复用一个或几个线程。 也就是说一个或一组线程处理多个 TCP 连接，最大优势是减少系统开销小，不必创建过多的进程/线程，也不必维护这些进程/线程。
常见的IO多路复用技术包括三大类Select、Poll、Epoll
Select
通过select系统调用来监控多个I/O通道的状态，包括是否有数据可读、是否可以进行写入等。一般使用一个集合来保存要监视的文件描述符（通常是套接字），在调用select时将这个集合传入，当有事件发生时，select将返回对应的文件描述符。
IO多路复用的SELECT机制是一种常见的多路复用技术，它具有以下优点和缺点：
优点：
高效性能：SELECT采用同步的方式，通过一个线程同时监听多个I/O通道的状态，当有就绪事件发生时，返回对应的文件描述符。这样可以减少线程的阻塞等待时间，提高系统的并发性能和资源利用率。 平台兼容性：SELECT是一个标准的系统调用，可在大多数操作系统上使用，包括Windows、Linux等，具有较好的平台兼容性。 简单易用：相对于其他高级IO多路复用机制，如epoll或kqueue，SELECT的使用较为简单，不需要额外的编程接口和复杂的数据结构，可以快速上手。
缺点：
连接数限制：SELECT机制通过fd_set集合来管理要监听的文件描述符，它有个限制是集合大小有限，通常默认为1024。这意味着在一个SELECT调用中最多只能同时监听1024个文件描述符，当连接数超过这个限制时，需要采用其他方法进行扩展。 扫描效率低：SELECT机制需要在每次调用时遍历所有要监听的文件描述符，包括空闲的和非空闲的，以检查是否有事件发生。这样的全局扫描会带来额外的开销，当文件描述符数量较大时，效率会逐渐降低。 数据拷贝：在使用SELECT时，每次有数据准备好或可写时，需要通过read或write函数进行数据的拷贝，从内核缓冲区复制到应用程序的缓冲区，这会导致额外的数据拷贝开销。
总体而言，SELECT是一种简单而常见的IO多路复用机制，适用于连接数较少且对于扩展性和性能要求不高的场景。对于大规模的并发连接和高性能要求，可以考虑使用更高效的多路复用技术，如epoll、kqueue等。
Poll
类似于select，但在处理大量文件描述符时，性能更好。它通过调用poll系统调用来监听I/O通道的就绪事件，并返回就绪的文件描述符。 IO多路复用的POLL机制是一种常见的多路复用技术，相对于SELECT机制，它具有以下优点和缺点：
优点：
没有文件描述符限制：与SELECT机制不同，POLL没有固定的文件描述符数量限制，可以动态支持更大规模的连接数。 高效性能：POLL使用同步方式，通过一个系统调用来同时监听多个I/O通道的状态，并返回就绪的文件描述符。相较于SELECT机制的全局扫描，POLL只会监听活跃的文件描述符，有效减少了无效扫描的开销，提高了系统的性能与效率。 简单易用：POLL相对于其他高级IO多路复用技术，如epoll或kqueue，使用较为简单，不需要额外的编程接口和复杂的数据结构。
缺点：
线性扫描：POLL使用线性扫描的方式遍历整个文件描述符集合，以检查是否有事件发生。当文件描述符数量较大时，其效率会随之降低。 慢速链接：POLL在处理大量慢速链接的情况下会存在性能问题，因为即使没有数据传输，POLL仍然需要频繁扫描这些连接，导致系统负担增大。 数据拷贝：类似于SELECT，POLL机制在收到就绪事件时，需要通过read或write函数进行数据的拷贝，从内核缓冲区复制到应用程序的缓冲区，这会导致额外的数据拷贝开销。
总体而言，POLL是一种较为通用的IO多路复用机制，相对于SELECT具有一些改进。它适用于连接数较少且对性能要求不过高的场景。对于高性能与大规模并发连接的应用，可以考虑使用更高效的多路复用技术，如epoll、kqueue等。
Epoll
在Linux系统上使用的高性能事件通知机制。相比于select和poll，epoll在处理大量并发连接时具有更好的扩展性和性能，因为它采用了回调机制，在有事件就绪时立即通知应用程序。
IO多路复用的EPOLL机制是一种高级的多路复用技术，相较于SELECT和POLL，它具有以下优点和缺点：
优点：
高效性能：EPOLL采用异步非阻塞的方式，通过一个系统调用来监听多个I/O通道的状态，并将就绪的文件描述符放入事件就绪列表中。相较于SELECT和POLL，EPOLL可以处理大规模的并发连接，具有更好的性能和扩展性。 零拷贝：EPOLL支持使用零拷贝技术进行数据传输，可以直接将数据从内核缓冲区复制到应用程序的缓冲区，减少了数据拷贝的开销。 可扩展性：EPOLL机制支持边缘触发（Edge-Triggered）和水平触发（Level-Triggered）两种工作模式。边缘触发模式只在文件状态发生变化时通知应用程序，可以最大程度上减少事件通知次数，提高性能。而水平触发模式则在文件有数据可读或可写时都会通知应用程序，能够更方便地进行数据的处理。 高并发连接：EPOLL采用红黑树和链表结构，它可以高效地管理和追踪大量的文件描述符，有效地支持大规模的并发连接。
缺点：
只能在Linux平台使用：EPOLL是Linux提供的特有机制，只能在支持EPOLL API的操作系统上使用，这限制了EPOLL的平台兼容性。 编程复杂性：相对于SELECT和POLL，EPOLL的编程接口和使用方式相对复杂一些，需要更多的代码和逻辑处理。
总体而言，EPOLL是一种高级且高性能的IO多路复用机制，特别适用于大规模并发连接和高性能的应用场景。但由于它的平台限制和编程复杂性，需要根据具体的应用需求和目标平台来决定是否使用EPOLL作为IO多路复用的解决方案。
下面是IO多路复用三大机制（SELECT、POLL、EPOLL）的区别的简要图表：
特 点SELECTPOLLEPOLLI/O模型同步同步异步可扩展性差（文件描述符限制）较好非常好性能中等中等高触发方式边缘触发边缘触发/水平触发边缘触发/水平触发平台兼容性良好良好仅在Linux上可用数据拷贝需要额外的数据拷贝需要额外的数据拷贝支持零拷贝链接数限制有（通常默认为1024）无限制无限制编程复杂性简单简单稍复杂
七、IO多路复用总结
IO多路复用的优势在于可以通过一个线程同时处理多个连接的I/O操作，避免了为每个连接创建和管理独立的线程带来的开销。它适用于并发连接量较大，但每个连接的I/O操作较短的情况下，能够提高系统的并发性能和资源利用率。
精彩文章
您阅读本篇文章共花了：
发表评论