Java IO: BIO, NIO, AIO | 易学教程

BIO, NIO, AIO，本身的描述都是在Java语言的基础上的。而描述IO，我们需要从三个层面：

编程语言
实现原理
底层基础

从编程语言层面

BIO, NIO, AIO以Java的角度理解：

BIO，同步阻塞式IO，简单理解：一个连接一个线程
NIO，同步非阻塞IO，简单理解：一个请求一个线程
AIO，异步非阻塞IO，简单理解：一个有效请求一个线程

BIO

在JDK1.4之前，用Java编写网络请求，都是建立一个ServerSocket，然后，客户端建立Socket时就会询问是否有线程可以处理，如果没有，要么等待，要么被拒绝。即：一个连接，要求Server对应一个处理线程。

public class PlainEchoServer {
  public void serve(int port) throws IOException {
    final ServerSocket socket = new ServerSocket(port); //Bind server to port
    try {
      while (true) {
        //Block until new client connection is accepted
        final Socket clientSocket = socket.accept();
        System.out.println("Accepted connection from " + clientSocket);
        //Create new thread to handle client connection
        new Thread(new Runnable() {
          @Override
          public void run() {
            try {
              BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream()));
              PrintWriter writer = new PrintWriter(clientSocket.getOutputStream(), true);
              //Read data from client and write it back
              while (true) {
                writer.println(reader.readLine());
                writer.flush();
              }
            } catch (IOException e) {
              e.printStackTrace();
              try {
                clientSocket.close();
              } catch (IOException ex) {
                // ignore on close
              }
            }
          }
        }).start();
        //Start thread
      }
    } catch (IOException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

NIO

在Java里的由来，在JDK1.4及以后版本中提供了一套API来专门操作非阻塞I/O，我们可以在java.nio包及其子包中找到相关的类和接口。由于这套API是JDK新提供的I/O API，因此，也叫New I/O，这就是包名nio的由来。这套API由三个主要的部分组成：缓冲区（Buffers）、通道（Channels）和非阻塞I/O的核心类组成。在理解NIO的时候，需要区分，说的是New I/O还是非阻塞IO，New I/O是Java的包，NIO是非阻塞IO概念。这里讲的是后面一种。

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Selector，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。

public class PlainNioEchoServer {
  public void serve(int port) throws IOException {
    System.out.println("Listening for connections on port " + port);
    ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
    ServerSocket ss = serverChannel.socket();
    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
    //Bind server to port
    ss.bind(address);
    serverChannel.configureBlocking(false);
    Selector selector = Selector.open();
    //Register the channel with the selector to be interested in new Client connections that get accepted
    serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
    while (true) {
      try {
        //Block until something is selected
        selector.select();
      } catch (IOException ex) {
        ex.printStackTrace();
        //handle in a proper way
        break;
      }
      //Get all SelectedKey instances
      Set<SelectionKey> readyKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator<SelectionKey> iterator = readyKeys.iterator();
      while (iterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = (SelectionKey) iterator.next();
        //Remove the SelectedKey from the iterator
        iterator.remove();
        try {
          if (key.isAcceptable()) {
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            //Accept the client connection
            SocketChannel client = server.accept();
            System.out.println("Accepted connection from " + client);
            client.configureBlocking(false);
            //Register connection to selector and set ByteBuffer
            client.register(selector, SelectionKey.OP_WRITE | SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(100));
          }
          //Check for SelectedKey for read
          if (key.isReadable()) {
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
            //Read data to ByteBuffer
            client.read(output);
          }
          //Check for SelectedKey for write
          if (key.isWritable()) {
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer output = (ByteBuffer) key.attachment();
            output.flip();
            //Write data from ByteBuffer to channel
            client.write(output);
            output.compact();
          }
        } catch (IOException ex) {
          key.cancel();
          try {
            key.channel().close();
          } catch (IOException cex) {
          }
        }
      }
    }
  }
}

AIO

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。

public class PlainNio2EchoServer {
  public void serve(int port) throws IOException {
    System.out.println("Listening for connections on port " + port);
    final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
    InetSocketAddress address = new InetSocketAddress(port);
    // Bind Server to port
    serverChannel.bind(address);
    final CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);
    // Start to accept new Client connections. Once one is accepted the CompletionHandler will get called.
    serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {
      @Override
      public void completed(final AsynchronousSocketChannel channel, Object attachment) {
        // Again accept new Client connections
        serverChannel.accept(null, this);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(100);
        // Trigger a read operation on the Channel, the given CompletionHandler will be notified once something was read
        channel.read(buffer, buffer, new EchoCompletionHandler(channel));
      }

      @Override
      public void failed(Throwable throwable, Object attachment) {
        try {
          // Close the socket on error
          serverChannel.close();
        } catch (IOException e) {
          // ingnore on close
        } finally {
          latch.countDown();
        }
      }
    });
    try {
      latch.await();
    } catch (InterruptedException e) {
      Thread.currentThread().interrupt();
    }
  }

  private final class EchoCompletionHandler implements CompletionHandler<Integer, ByteBuffer> {
    private final AsynchronousSocketChannel channel;

    EchoCompletionHandler(AsynchronousSocketChannel channel) {
      this.channel = channel;
    }

    @Override
    public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
      buffer.flip();
      // Trigger a write operation on the Channel, the given CompletionHandler will be notified once something was written
      channel.write(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
        @Override
        public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
          if (buffer.hasRemaining()) {
            // Trigger again a write operation if something is left in the ByteBuffer
            channel.write(buffer, buffer, this);
          } else {
            buffer.compact();
            // Trigger a read operation on the Channel, the given CompletionHandler will be notified once something was read
            channel.read(buffer, buffer, EchoCompletionHandler.this);
          }
        }

        @Override
        public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
          try {
            channel.close();
          } catch (IOException e) {
            // ingnore on close
          }
        }
      });
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
      try {
        channel.close();
      } catch (IOException e) {
        // ingnore on close
      }
    }
  }
}

实现原理

说道实现原理，还要从操作系统的IO模型上了解按照《Unix网络编程》的划分，IO模型可以分为：阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO和异步IO，按照POSIX标准来划分只分为两类：同步IO和异步IO。如何区分呢？首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作，同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

收到操作系统的IO模型，又不得不提select/poll/epoll/iocp。可以理解的说明是：在Linux 2.6以后，java NIO的实现，是通过epoll来实现的，这点可以通过jdk的源代码发现。而AIO，在windows上是通过IOCP实现的，在linux上还是通过epoll来实现的。这里强调一点：AIO，这是I/O处理模式，而epoll等都是实现AIO的一种编程模型；换句话说，AIO是一种接口标准，各家操作系统可以实现也可以不实现。在不同操作系统上在高并发情况下最好都采用操作系统推荐的方式。Linux上还没有真正实现网络方式的AIO。