1 BIO，NIO，AIO都有什么區(qū)別，NIO的原理是什么？

BIO

BIO：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊模型，就是BIO，同步阻塞IO， 其實(shí)就是服務(wù)端創(chuàng)建一個(gè)ServerSocket， 然后就是客戶端用一個(gè)Socket去連接服務(wù)端的那個(gè)ServerSocket， ServerSocket接收到了一個(gè)的連接請(qǐng)求就創(chuàng)建一個(gè)Socket和一個(gè)線程去跟那個(gè)Socket進(jìn)行通訊。接著客戶端和服務(wù)端就進(jìn)行阻塞式的通信，客戶端發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，服務(wù)端Socket進(jìn)行處理后返回響應(yīng)，在響應(yīng)返回前，客戶端那邊就阻塞等待，什么事情也做不了。 這種方式的缺點(diǎn)， 每次一個(gè)客戶端接入，都需要在服務(wù)端創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)服務(wù)這個(gè)客戶端，這樣大量客戶端來(lái)的時(shí)候，就會(huì)造成服務(wù)端的線程數(shù)量可能達(dá)到了幾千甚至幾萬(wàn)，這樣就可能會(huì)造成服務(wù)端過(guò)載過(guò)高，最后崩潰死掉。
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BIO模型圖：

Acceptor：

傳統(tǒng)的IO模型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)計(jì)模式中有倆種比較經(jīng)典的設(shè)計(jì)模式： 一個(gè)是多線程， 一種是依靠線程池來(lái)進(jìn)行處理。如果是基于多線程的模式來(lái)的話，就是這樣的模式，這種也是

Acceptor線程模型。

NIO

NIO: NIO是一種同步非阻塞IO, 基于Reactor模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其實(shí)相當(dāng)于就是一個(gè)線程處理大量的客戶端的請(qǐng)求，通過(guò)一個(gè)線程輪詢大量的channel，每次就獲取一批有事件的channel，然后對(duì)每個(gè)請(qǐng)求啟動(dòng)一個(gè)線程處理即可。這里的核心就是非阻塞，就那個(gè)selector一個(gè)線程就可以不停輪詢channel，所有客戶端請(qǐng)求都不會(huì)阻塞，直接就會(huì)進(jìn)來(lái)，大不了就是等待一下排著隊(duì)而已。這里面優(yōu)化BIO的核心就是，一個(gè)客戶端并不是時(shí)時(shí)刻刻都有數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，沒(méi)有必要死耗著一個(gè)線程不放，所以客戶端選擇了讓線程歇一歇，只有客戶端有相應(yīng)的操作的時(shí)候才發(fā)起通知，創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)處理請(qǐng)求。
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NIO：模型圖

Reactor模型:

AIO

AIO：異步非阻塞IO，基于Proactor模型實(shí)現(xiàn)。 每個(gè)連接發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求，都會(huì)綁定一個(gè)Buffer，然后通知操作系統(tǒng)去完成異步的讀，這個(gè)時(shí)間你就可以去做其他的事情，等到操作系統(tǒng)完成讀之后，就會(huì)調(diào)用你的接口，給你操作系統(tǒng)異步讀完的數(shù)據(jù)。這個(gè)時(shí)候你就可以拿到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)往回寫(xiě)，在往回寫(xiě)的過(guò)程，同樣是給操作系統(tǒng)一個(gè)Buffer，讓操作系統(tǒng)去完成寫(xiě)，寫(xiě)完了來(lái)通知你。這倆個(gè)過(guò)程都有buffer存在，數(shù)據(jù)都是通過(guò)buffer來(lái)完成讀寫(xiě)。

這里面的主要的區(qū)別在于將數(shù)據(jù)寫(xiě)入的緩沖區(qū)后，就不去管它，剩下的去交給操作系統(tǒng)去完成。操作系統(tǒng)寫(xiě)回?cái)?shù)據(jù)也是一樣，寫(xiě)到Buffer里面，寫(xiě)完后通知客戶端來(lái)進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。
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AIO：模型圖

聊完了BIO，NIO，AIO的區(qū)別之后，現(xiàn)在我們?cè)俳Y(jié)合這三個(gè)模型來(lái)說(shuō)下同步和阻塞的一些問(wèn)題。

2 各種阻塞解釋

同步阻塞

同步阻塞：為什么說(shuō)BIO是同步阻塞的呢？其實(shí)這里說(shuō)的不是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊模型而言，而是針對(duì)磁盤文件讀寫(xiě)IO操作來(lái)說(shuō)的。因?yàn)橛肂IO的流讀寫(xiě)文件，例如FileInputStrem，是說(shuō)你發(fā)起個(gè)IO請(qǐng)求直接hang死，卡在那里，必須等著搞完了這次IO才能返回。

同步非阻塞:

同步非阻塞：為什么說(shuō)NIO為啥是同步非阻塞？因?yàn)闊o(wú)論多少客戶端都可以接入服務(wù)端，客戶端接入并不會(huì)耗費(fèi)一個(gè)線程，只會(huì)創(chuàng)建一個(gè)連接然后注冊(cè)到selector上去罷了，你就可以去干其他你想干的其他事情了， 一個(gè)selector線程不斷的輪詢所有的socket連接，發(fā)現(xiàn)有事件了就通知你，然后你就啟動(dòng)一個(gè)線程處理一個(gè)請(qǐng)求即可，這個(gè)過(guò)程的話就是非阻塞的。但是這個(gè)處理的過(guò)程中，你還是要先讀取數(shù)據(jù)，處理，再返回的，這是個(gè)同步的過(guò)程。

異步非阻塞

異步非阻塞：為什么說(shuō)AIO是異步非阻塞？通過(guò)AIO發(fā)起個(gè)文件IO操作之后，你立馬就返回可以干別的事兒了，接下來(lái)你也不用管了，操作系統(tǒng)自己干完了IO之后，告訴你說(shuō)ok了， 當(dāng)你基于AIO的api去都寫(xiě)文件的時(shí)候， 當(dāng)你發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求之后，剩下的事情就是交給了操作系統(tǒng)，當(dāng)讀寫(xiě)完成后， 操作系統(tǒng)會(huì)來(lái)回調(diào)你的接口， 告訴你操作完成， 在這期間不需要等待， 也不需要去輪詢判斷操作系統(tǒng)完成的狀態(tài)，你可以去干其他的事情。 同步就是自己還得主動(dòng)去輪詢操作系統(tǒng)，異步就是操作系統(tǒng)反過(guò)來(lái)通知你。所以來(lái)說(shuō)， AIO就是異步非阻塞的。

3 NIO核心組件詳細(xì)講解

學(xué)習(xí)NIO先來(lái)搞清楚一些相關(guān)的概念，NIO通訊有哪些相關(guān)組件，對(duì)應(yīng)的作用都是什么，之間有哪些聯(lián)系？

多路復(fù)用機(jī)制實(shí)現(xiàn)Selector

首先我們來(lái)了解下傳統(tǒng)的Socket網(wǎng)絡(luò)通訊模型。

傳統(tǒng)Socket通訊原理圖

為什么傳統(tǒng)的socket不支持海量連接

每次一個(gè)客戶端接入，都是要在服務(wù)端創(chuàng)建一個(gè)線程來(lái)服務(wù)這個(gè)客戶端的，這會(huì)導(dǎo)致大量的客戶端的時(shí)候，服務(wù)端的線程數(shù)量可能達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)，幾十萬(wàn)，這會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器端程序負(fù)載過(guò)高，不堪重負(fù)，最終系統(tǒng)崩潰死掉。

• 接著來(lái)看下NIO是如何基于Selector實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用機(jī)制支持的海量連接。

NIO原理圖

多路復(fù)用機(jī)制是如何支持海量連接

NIO的線程模型 對(duì)Socket發(fā)起的連接不需要每個(gè)都創(chuàng)建一個(gè)線程，完全可以使用一個(gè)Selector來(lái)多路復(fù)用監(jiān)聽(tīng)N多個(gè)Channel是否有請(qǐng)求，該請(qǐng)求是對(duì)應(yīng)的連接請(qǐng)求，還是發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，這里面是基于操作系統(tǒng)底層的Select通知機(jī)制的，一個(gè)Selector不斷的輪詢多個(gè)Channel，這樣避免了創(chuàng)建多個(gè)線程，只有當(dāng)莫個(gè)Channel有對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求的時(shí)候才會(huì)創(chuàng)建線程，可能說(shuō)1000個(gè)請(qǐng)求， 只有100個(gè)請(qǐng)求是有數(shù)據(jù)交互的， 這個(gè)時(shí)候可能server端就提供10個(gè)線程就能夠處理這些請(qǐng)求。這樣的話就可以避免了創(chuàng)建大量的線程。

NIO如何通過(guò)Buffer來(lái)緩沖數(shù)據(jù)的

NIO中的Buffer是個(gè)什么東西 ？

學(xué)習(xí)NIO，首當(dāng)其沖就是要了解所謂的Buffer緩沖區(qū)，這個(gè)東西是NIO里比較核心的一個(gè)部分，一般來(lái)說(shuō)，如果你要通過(guò)NIO寫(xiě)數(shù)據(jù)到文件或者網(wǎng)絡(luò)，或者是從文件和網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)出來(lái)此時(shí)就需要通過(guò)Buffer緩沖區(qū)來(lái)進(jìn)行。Buffer的使用一般有如下幾個(gè)步驟：

寫(xiě)入數(shù)據(jù)到Buffer，調(diào)用flip()方法，從Buffer中讀取數(shù)據(jù)，調(diào)用clear()方法或者compact()方法。

Buffer中對(duì)應(yīng)的Position， Mark， Capacity，Limit都啥？

capacity： 緩沖區(qū)容量的大小，就是里面包含的數(shù)據(jù)大小。
limit： 對(duì)buffer緩沖區(qū)使用的一個(gè)限制，從這個(gè)index開(kāi)始就不能讀取數(shù)據(jù)了。
position： 代表著數(shù)組中可以開(kāi)始讀寫(xiě)的index， 不能大于limit。
mark： 是類似路標(biāo)的東西，在某個(gè)position的時(shí)候，設(shè)置一下mark，此時(shí)就可以設(shè)置一個(gè)標(biāo)記，后續(xù)調(diào)用reset()方法可以把position復(fù)位到當(dāng)時(shí)設(shè)置的那個(gè)mark上去，把position或limit調(diào)整為小于mark的值時(shí)，就丟棄這個(gè)mark。如果使用的是Direct模式創(chuàng)建的Buffer的話，就會(huì)減少中間緩沖直接使用的是DirectorBuffer來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
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如何通過(guò)Channel和FileChannel讀取Buffer數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤的

NIO中，Channel是什么？

Channel是NIO中的數(shù)據(jù)通道，類似流，但是又有些不同，Channel即可從中讀取數(shù)據(jù)，又可以從寫(xiě)數(shù)據(jù)到通道中，但是流的讀寫(xiě)通常是單向的。Channel可以異步的讀寫(xiě)。Channel中的數(shù)據(jù)總是要先讀到一個(gè)Buffer中，或者從緩沖區(qū)中將數(shù)據(jù)寫(xiě)到通道中。

FileChannel的作用是什么 Buffer有不同的類型，同樣Channel也有好幾個(gè)類型。 FileChannel，DatagramChannel，SocketChannel，ServerSocketChannel。這些通道涵蓋了UDP 和 TCP 網(wǎng)絡(luò)IO，以及文件IO。而FileChannel就是文件IO對(duì)應(yīng)的管道， 在讀取文件的時(shí)候會(huì)用到這個(gè)管道。

4 問(wèn)題（代碼實(shí)現(xiàn)）

BIO 和 NIO 作為 Server 端，當(dāng)建立了 10 個(gè)連接時(shí)，分別產(chǎn)生多少個(gè)線程？

答案： 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的 IO 也就是 BIO 是同步線程堵塞的，所以每個(gè)連接都要分配一個(gè)專用線程來(lái)處理請(qǐng)求，這樣 10 個(gè)連接就會(huì)創(chuàng)建 10 個(gè)線程去處理。而 NIO 是一種同步非阻塞的 I/O 模型，它的核心技術(shù)是多路復(fù)用，可以使用一個(gè)鏈接上的不同通道來(lái)處理不同的請(qǐng)求，所以即使有 10 個(gè)連接，對(duì)于 NIO 來(lái)說(shuō)，開(kāi)啟 1 個(gè)線程就夠了。
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BIO 代碼實(shí)現(xiàn)

publicclassDemoServerextendsThread{privateServerSocket serverSocket;publicint getPort(){return serverSocket.getLocalPort();}publicvoid run(){try{serverSocket =newServerSocket(0);while(true){Socket socket = serverSocket.accept();RequestHandler requestHandler =newRequestHandler(socket);requestHandler.start();}}catch(IOException e){e.printStackTrace();}finally{if(serverSocket !=null){try{serverSocket.close();}catch(IOException e){e.printStackTrace();}}}}publicstaticvoid main(String[] args)throwsIOException{DemoServer server =newDemoServer();server.start();try(Socket client =newSocket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())){BufferedReader bufferedReader =newBufferedReader(newInputStreamReader(client.getInputStream()));bufferedReader.lines().forEach(s ->System.out.println(s));}}} // 簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)，不做讀取，直接發(fā)送字符串classRequestHandlerextendsThread{privateSocket socket;RequestHandler(Socket socket){this.socket = socket;}@Overridepublicvoid run(){try(PrintWriter out =newPrintWriter(socket.getOutputStream());){out.println("Hello world!");out.flush();}catch(Exception e){e.printStackTrace();}}}

服務(wù)器端啟動(dòng) ServerSocket，端口 0 表示自動(dòng)綁定一個(gè)空閑端口。
調(diào)用 accept 方法，阻塞等待客戶端連接。
利用 Socket 模擬了一個(gè)簡(jiǎn)單的客戶端，只進(jìn)行連接、讀取、打印。
當(dāng)連接建立后，啟動(dòng)一個(gè)單獨(dú)線程負(fù)責(zé)回復(fù)客戶端請(qǐng)求。
這樣，一個(gè)簡(jiǎn)單的 Socket 服務(wù)器就被實(shí)現(xiàn)出來(lái)了。
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NIO 代碼實(shí)現(xiàn)

publicclassNIOServerextendsThread{publicvoid run(){try(Selector selector =Selector.open();ServerSocketChannel serverSocket =ServerSocketChannel.open();){// 創(chuàng)建 Selector 和 ChannelserverSocket.bind(newInetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(),8888));serverSocket.configureBlocking(false); // 注冊(cè)到 Selector，并說(shuō)明關(guān)注點(diǎn)serverSocket.register(selector,SelectionKey.OP_ACCEPT);while(true){selector.select();// 阻塞等待就緒的 Channel，這是關(guān)鍵點(diǎn)之一Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();while(iter.hasNext()){SelectionKey key = iter.next(); // 生產(chǎn)系統(tǒng)中一般會(huì)額外進(jìn)行就緒狀態(tài)檢查sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());iter.remove();}}}catch(IOException e){e.printStackTrace();}}privatevoid sayHelloWorld(ServerSocketChannel server)throwsIOException{try(SocketChannel client = server.accept();){ client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));}} // 省略了與前面類似的 main}

首先，通過(guò) Selector.open() 創(chuàng)建一個(gè) Selector，作為類似調(diào)度員的角色。
然后，創(chuàng)建一個(gè) ServerSocketChannel，并且向 Selector 注冊(cè)，通過(guò)指定 SelectionKey.OP_ACCEPT，告訴調(diào)度員，它關(guān)注的是新的連接請(qǐng)求。注意：為什么我們要明確配置非阻塞模式呢？這是因?yàn)樽枞Ｊ较?#xff0c;注冊(cè)操作是不允許的，會(huì)拋出 IllegalBlockingModeException 異常。
Selector 阻塞在 select 操作，當(dāng)有 Channel 發(fā)生接入請(qǐng)求，就會(huì)被喚醒。
在 sayHelloWorld 方法中，通過(guò) SocketChannel 和 Buffer 進(jìn)行數(shù)據(jù)操作，在本例中是發(fā)送了一段字符串。
可以看到，在前面兩個(gè)樣例中，IO 都是同步阻塞模式，所以需要多線程以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)處理。而 NIO 則是利用了單線程輪詢事件的機(jī)制，通過(guò)高效地定位就緒的 Channel，來(lái)決定做什么，僅僅 select 階段是阻塞的，可以有效避免大量客戶端連接時(shí)，頻繁線程切換帶來(lái)的問(wèn)題，應(yīng)用的擴(kuò)展能力有了非常大的提高。

6 NIO與IO的區(qū)別

NIO即New IO，這個(gè)庫(kù)是在JDK1.4中才引入的。NIO和IO有相同的作用和目的，但實(shí)現(xiàn)方式不同，NIO主要用到的是塊，所以NIO的效率要比IO高很多。在Java API中提供了兩套NIO，一套是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出NIO，另一套就是網(wǎng)絡(luò)編程N(yùn)IO。
NIO和IO的主要區(qū)別，下表總結(jié)了Java IO和NIO之間的主要區(qū)別：
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1、面向流與面向緩沖
Java IO和NIO之間第一個(gè)最大的區(qū)別是，IO是面向流的，NIO是面向緩沖區(qū)的。 Java IO面向流意味著每次從流中讀一個(gè)或多個(gè)字節(jié)，直至讀取所有字節(jié)，它們沒(méi)有被緩存在任何地方。此外，它不能前后移動(dòng)流中的數(shù)據(jù)。如果需要前后移動(dòng)從流中讀取的數(shù)據(jù)，需要先將它緩存到一個(gè)緩沖區(qū)。Java NIO的緩沖導(dǎo)向方法略有不同。數(shù)據(jù)讀取到一個(gè)它稍后處理的緩沖區(qū)，需要時(shí)可在緩沖區(qū)中前后移動(dòng)。這就增加了處理過(guò)程中的靈活性。但是，還需要檢查是否該緩沖區(qū)中包含所有您需要處理的數(shù)據(jù)。而且，需確保當(dāng)更多的數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)時(shí)，不要覆蓋緩沖區(qū)里尚未處理的數(shù)據(jù)。

2、阻塞與非阻塞IO
Java IO的各種流是阻塞的。這意味著，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用read() 或 write() 時(shí)，該線程被阻塞，直到有一些數(shù)據(jù)被讀取，或數(shù)據(jù)完全寫(xiě)入。該線程在此期間不能再干任何事情了。Java NIO的非阻塞模式，使一個(gè)線程從某通道發(fā)送請(qǐng)求讀取數(shù)據(jù)，但是它僅能得到目前可用的數(shù)據(jù)，如果目前沒(méi)有數(shù)據(jù)可用時(shí)，就什么都不會(huì)獲取，而不是保持線程阻塞，所以直至數(shù)據(jù)變的可以讀取之前，該線程可以繼續(xù)做其他的事情。非阻塞寫(xiě)也是如此。一個(gè)線程請(qǐng)求寫(xiě)入一些數(shù)據(jù)到某通道，但不需要等待它完全寫(xiě)入，這個(gè)線程同時(shí)可以去做別的事情。線程通常將非阻塞IO的空閑時(shí)間用于在其它通道上執(zhí)行IO操作，所以一個(gè)單獨(dú)的線程現(xiàn)在可以管理多個(gè)輸入和輸出通道（channel）。

3、選擇器（Selectors）
Java NIO的選擇器允許一個(gè)單獨(dú)的線程來(lái)監(jiān)視多個(gè)輸入通道，你可以注冊(cè)多個(gè)通道使用一個(gè)選擇器，然后使用一個(gè)單獨(dú)的線程來(lái)“選擇”通道：這些通道里已經(jīng)有可以處理的輸入，或者選擇已準(zhǔn)備寫(xiě)入的通道。這種選擇機(jī)制，使得一個(gè)單獨(dú)的線程很容易來(lái)管理多個(gè)通道。

7 NIO和IO適用場(chǎng)景

NIO是為彌補(bǔ)傳統(tǒng)IO的不足而誕生的，但是尺有所短寸有所長(zhǎng)，**NIO也有缺點(diǎn)，因?yàn)镹IO是面向緩沖區(qū)的操作，每一次的數(shù)據(jù)處理都是對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行的，那么就會(huì)有一個(gè)問(wèn)題，在數(shù)據(jù)處理之前必須要判斷緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)是否完整或者已經(jīng)讀取完畢，如果沒(méi)有，假設(shè)數(shù)據(jù)只讀取了一部分，那么對(duì)不完整的數(shù)據(jù)處理沒(méi)有任何意義。**所以每次數(shù)據(jù)處理之前都要檢測(cè)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。
那么NIO和IO各適用的場(chǎng)景是什么呢？
如果需要管理同時(shí)打開(kāi)的成千上萬(wàn)個(gè)連接，這些連接每次只是發(fā)送少量的數(shù)據(jù)，例如聊天服務(wù)器，這時(shí)候用NIO處理數(shù)據(jù)可能是個(gè)很好的選擇。
而如果只有少量的連接，而這些連接每次要發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，這時(shí)候傳統(tǒng)的IO更合適。使用哪種處理數(shù)據(jù)，需要在數(shù)據(jù)的響應(yīng)等待時(shí)間和檢查緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)間上作比較來(lái)權(quán)衡選擇。

8 參考鏈接

https://blog.csdn.net/valada/article/details/96040288

https://blog.csdn.net/weixin_44195108/article/details/88640803

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的什么是 NIO？ NIO 和 BIO、AIO 之间的区别是什么？NIO主要用来解决什么问题？的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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