Java面试知识点（八十六）JAVA中 BIO 与 NIO、AIO

一时失言乱红尘 2021-09-20 22:30 330阅读 0赞

在讲 BIO,NIO,AIO 之前先来回顾一下这样几个概念：同步与异步，阻塞与非阻塞。

**同步与异步**

*  同步： 同步就是发起一个调用后，被调用者未处理完请求之前，调用不返回。
 *  异步： 异步就是发起一个调用后，立刻得到被调用者的回应表示已接收到请求，但是被调用者并没有返回结果，此时我们可以处理其他的请求，被调用者通常依靠事件，回调等机制来通知调用者其返回结果。

同步和异步的区别最大在于**异步的话调用者不需要等待处理结果**，被调用者会通过回调等机制来通知调用者其返回结果。

**阻塞和非阻塞**

*  阻塞： 阻塞就是发起一个请求，调用者一直等待请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
 *  非阻塞： 非阻塞就是发起一个请求，调用者不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情。

举个生活中简单的例子，你妈妈让你烧水，小时候你比较笨啊，在那里傻等着水开（同步阻塞）。等你稍微再长大一点，你知道每次烧水的空隙可以去干点其他事，然后只需要时不时来看看水开了没有（同步非阻塞）。后来，你们家用上了水开了会发出声音的壶，这样你就只需要听到响声后就知道水开了，在这期间你可以随便干自己的事情，你需要去倒水了（异步非阻塞）。

### 一、BIO ，同步阻塞 I/O 模式 ###

在 JDK1.4 出来之前，我们建立网络连接的时候采用 BIO 模式，需要先在服务端启动一个 ServerSocket，然后在客户端启动 Socket 来对服务端进行通信，默认情况下服务端需要对每个请求建立一堆线程等待请求，而客户端发送请求后，先咨询服务端是否有线程相应，如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求，如果有的话，客户端会线程会等待请求结束后才继续执行。

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### 二、NIO ，同步非阻塞的 I/O 模型 ###

NIO 本身是基于**事件驱动**思想来完成的，其主要想解决的是 **BIO 的大并发问题**： 在使用同步 I/O 的网络应用中，如果要同时处理多个客户端请求，或是在客户端要同时和多个服务器进行通讯，**就必须使用多线程来处理**。也就是说，将每一个客户端请求分配给一个线程来单独处理。这样做虽然可以达到我们的要求，但同时又会带来另外一个问题。由于每创建一个线程，就要为这个线程分配一定的内存空间（也叫工作存储器），而且操作系统本身也对线程的总数有一定的限制。如果客户端的请求过多，服务端程序可能会因为不堪重负而拒绝客户端的请求，甚至服务器可能会因此而瘫痪。

NIO 基于 Reactor，当 socket 有流可读或可写入 socket 时，操作系统会相应的通知引用程序进行处理，应用再将流读取到缓冲区或写入操作系统。 也就是说，这个时候，已经**不是一个连接就要对应一个处理线程了，而是有效的请求，对应一个线程，当连接没有数据时，是没有工作线程来处理的**。

BIO 与 NIO 一个比较重要的不同，是我们使用 BIO 的时候往往会引入多线程，每个连接一个单独的线程；而 NIO 则是使用单线程或者只使用少量的多线程，每个连接共用一个线程。

**NIO 的最重要的地方是当一个连接创建后，不需要对应一个线程**，这个连接会被注册到多路复用器上面，所以所有的连接只需要一个线程就可以搞定，当这个线程中的多路复用器进行轮询的时候，发现连接上有请求的话，才开启一个线程进行处理，也就是**一个请求一个线程模式**。

在 NIO 的处理方式中，当一个请求来的话，开启线程进行处理，可能会等待后端应用的资源 (JDBC 连接等)，其实这个线程就被阻塞了，当并发上来的话，还是会有 BIO 一样的问题。

HTTP/1.1 出现后，有了 Http 长连接，这样除了超时和指明特定关闭的 http header 外，这个链接是一直打开的状态的，这样在 NIO 处理中可以进一步的进化，在后端资源中可以实现资源池或者队列，当请求来的话，开启的线程把请求和请求数据传送给后端资源池或者队列里面就返回，并且在全局的地方保持住这个现场 (哪个连接的哪个请求等)，这样前面的线程还是可以去接受其他的请求，而后端的应用的处理只需要执行队列里面的就可以了，这样请求处理和后端应用是异步的。当后端处理完，到全局地方得到现场，产生响应，这个就实现了异步处理。

### 三、AIO ，异步非阻塞的I/O模型 ###

与 NIO 不同，当进行读写操作时，只须直接调用 API 的 read 或 write 方法即可。这两种方法均为异步的，对于读操作而言，当有流可读取时，操作系统会将可读的流传入 read 方法的缓冲区，并通知应用程序；对于写操作而言，当操作系统将 write 方法传递的流写入完毕时，操作系统主动通知应用程序。 即可以理解为，read/write 方法都是异步的，完成后会主动调用回调函数。 在 JDK1.7 中，这部分内容被称作 NIO.2，主要在 java.nio.channels 包下增加了下面四个异步通道：

*  AsynchronousSocketChannel
 *  AsynchronousServerSocketChannel
 *  AsynchronousFileChannel
 *  AsynchronousDatagramChannel

其中的 read/write 方法，会返回一个带回调函数的对象，当执行完读取 / 写入操作后，直接调用回调函数。

### 总结 ###

**1.Java 对 BIO、NIO、AIO 的支持**：

*  Java BIO ： 同步并阻塞，服务器实现模式为**一个连接一个线程**，即客户端有连接请求时服务器端就需要启动一个线程进行处理，如果这个连接不做任何事情会造成不必要的线程开销，当然可以通过线程池机制改善。
 *  Java NIO ： 同步非阻塞，服务器实现模式为**一个请求一个线程**，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有 I/O 请求时才启动一个线程进行处理。
 *  Java AIO (NIO.2) ： 异步非阻塞，服务器实现模式为**一个有效请求一个线程**，客户端的 I/O 请求都是由 OS 先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理，

**2.BIO、NIO、AIO 适用场景分析**:

*  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，并发局限于应用中，JDK1.4 以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
 *  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，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4 开始支持。
 *  AIO 方式使用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用 OS 参与并发操作，编程比较复杂，JDK7 开始支持。