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JAVA IO、BIO、NIO、AIO及零拷贝

java 2025/7/17 2:34:13

概述

IO，常写作 I/O，是 Input/Output 的简称，是 Input/Output 的简称，即输入/输出。通常指数据在内部存储器（内存）和外部存储器（硬盘、优盘等）或其他周边设备之间的输入和输出。

目前有三种 IO 共存。分别是 BIO、NIO 和 AIO。

BIO 全称 Block-IO 是一种同步且阻塞的通信模式。是一个比较传统的通信方式，模式简单，使用方便。但并发处理能力低，通信耗时，依赖网速。

Java NIO，全程 Non-Block IO ，是 Java SE 1.4 版以后，针对网络传输效能优化的新功能。是一种非阻塞同步的通信模式

Java AIO，全称 Asynchronous IO，是异步非阻塞的 IO。是一种非阻塞异步的通信模式。在 NIO 的基础上引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

IO 基本模型

IO的类型主要分为：BIO、NIO 和 AIO，其基本模型如下

阻塞 IO 模型

阻塞 IO 模型，最传统的一种 IO 模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

当用户线程发出 IO 请求之后，内核会去查看数据是否就绪，
- 如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用户线程交出 CPU。
- 当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用户线程才解除 block 状态。

典型的阻塞 IO 模型的例子为：如果数据没有就绪，就会一直阻塞在 read 方法

data = socket.read();

非阻塞 IO 模型

非阻塞 IO 模型：当用户线程发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。

如果结果是一个 error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。
一旦内核中的数据准备好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。
所以事实上，在非阻塞 IO 模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞 IO 不会交出 CPU，而会一直占用 CPU。

典型的非阻塞 IO 模型一般如下： while 循环中需要不断地去询问内核数据是否就绪，这样会导致 CPU 占用率非常高，因此一般情况下很少使用 while 循环这种方式来读取数据。

while(true){data = socket.read();if(data!= error){// 处理数据break;}
}

信号驱动 IO 模型

在信号驱动 IO 模型中，

当用户线程发起一个 IO 请求操作，会给对应的 socket 注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，
当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用 IO 读写操作来进行实际的 IO 请求操作。

异步 IO 模型

异步 IO 模型才是最理想的 IO 模型

在异步 IO 模型中，当用户线程发起 read 操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。

从内核的角度，

当它收到一个 asynchronous read 之后，它会立刻返回，说明 read 请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何 block
内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，
当这一切都完成之后，内核会给用户线程发送一个信号，告诉它 read 操作完成了

用户线程完全不需要实际的整个 IO 操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示 IO 操作已经完成，可以直接去使用数据了

在异步 IO 模型中，IO 操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成

在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据已经就绪，然后需要用户线程调用 IO 函数进行实际的读写操作
而在异步 IO 模型中，收到信号表示 IO 操作已经完成，不需要再在用户线程中调用 IO 函数进行实际的读写操作。

注意：异步 IO 是需要操作系统的底层支持，在 Java 7 中，提供了 Asynchronous IO

BIO（Blocking I/O）

概述

以前大多数网络通信方式都是阻塞模式的，

客户端向服务器端发出请求后，客户端会一直等待(不会再做其他事情)，直到服务器端返回结果或者网络出现问题。
服务器端同样的，当在处理某个客户端A发来的请求时，另一个客户端B发来的请求会等待，直到服务器端的这个处理线程完成上一个处理。

特点

同步阻塞：线程在读写数据时被阻塞，直到操作完成。
一连接一线程：每个客户端连接需独立线程处理，高并发时资源消耗大。

缺点：线程数随连接数线性增长，易导致资源耗尽（如 C10K 问题）。

关键类/接口

核心包：java.io
同步阻塞模型，所有操作会阻塞线程直到完成。
适用场景：简单文件操作、低并发网络通信。

类别	类/接口	用途
字节流	InputStream/OutputStream	字节数据的读写（如文件、网络流）。
字符流	Reader/Writer	字符数据的读写（支持编码转换）。
文件操作	FileInputStream/FileOutputStream	文件读写。
网络通信	Socket/ServerSocket	TCP 客户端和服务端的阻塞式通信。
缓冲流	BufferedReader/BufferedWriter	提升 I/O 性能的缓冲包装类。

示例

（TCP 服务端）

// 传统 BIO 模型
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待连接new Thread(() -> {try {BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));String request = in.readLine(); // 阻塞读取数据System.out.println("Received: " +</