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java BIO/NIO/AIO

news 2025/6/14 12:55:08

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前言

一、BIO（Blocking I/O）：同步阻塞模型

核心机制：

1.示例

二、NIO（Non-blocking I/O）：同步非阻塞模型

1.Buffer​

底层结构

核心属性

总结

channal:

 Selector（选择器）：多路复用控制器

总结

代码示例：

三、AIO

四、redis中的多路复用和NIO中的多路复用

四、总结

前言

BIO->NIO->AIO的转变历程

传统BIO的问题在于高并发时的线程开销，而NIO通过多路复用减少了线程数量，提高了并发能力。但NIO的编程模型复杂，需要处理事件循环、缓冲区管理等。AIO则进一步简化，利用操作系统的异步支持，实现真正的非阻塞，但可能在某些系统上支持不够好，比如Linux的AIO实现不如Windows成熟，所以Netty还是基于NIO。

一、BIO（Blocking I/O）：同步阻塞模型

核心机制：


每个连接对应一个线程，线程在读写操作时会被阻塞，直到数据就绪。

1.示例

直接看一个代码示例 socket建立连接发送数据（对于每个连接创建一个线程，实现异步通信）

首先需要了解BIO的阻塞点1.连接2.读写

// 服务端代码
public class BioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket server = new ServerSocket(8080);System.out.println("BIO 服务端启动，监听端口 8080...");while (true) {// 阻塞点1：等待客户端连接（没有连接时线程挂起）Socket client = server.accept(); System.out.println("客户端连接：" + client.getRemoteSocketAddress());// 为每个连接创建新线程处理读写new Thread(() -> {try {// 阻塞点2：读取客户端数据（无数据时线程挂起）InputStream in = client.getInputStream();BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(in));String line;while ((line = reader.readLine()) != null) { // 阻塞直到有数据System.out.println("收到客户端消息: " + line);// 阻塞点3：向客户端写回数据（输出流满时阻塞）OutputStream out = client.getOutputStream();out.write(("服务端响应: " + line + "\n").getBytes());out.flush();}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}

这里使用多线程的方式虽然解决了单线程阻塞的情况，但是对每个连都创建一个线程进行读写，如果这时候连接多了，线程太大，占用的资源可想而知 

二、NIO（Non-blocking I/O）：同步非阻塞模型

为什么会出现NIO呢，其实就是为了解决BIO单线程阻塞问题（读写阻塞，连接阻塞），实现单线程解决并发问题（多路复用）

核心机制：
多路复用器（Selector）轮询事件，单线程处理多个连接，核心是非阻塞和事件驱动。

关键组件：

  • Channel（通道）：双向通信，替代BIO的流，支持非阻塞模式。

  • Buffer（缓冲区）：数据读写的中转区，需配合 flip()、clear() 操作。

  • Selector（选择器）：监控多个通道的事件（如连接、读、写）。

1.Buffer​

底层结构

Buffer的底层实现是一个​​数组​​，具体类型取决于Buffer的子类，例如

  • ​​ByteBuffer​​底层是byte[]数组；
  • ​​IntBuffer​​底层是int[]数组；
  • 其他类型如CharBuffer、DoubleBuffer等同理。
核心属性

java nio包下看到buffer类里面有这4个核心属性

​​capacity​​：数组的固定长度，创建后不可变。例如，ByteBuffer.allocate(10)会分配一个长度为10的byte[]数组。
​​position​​：指向下一个待读写的位置，初始为0，每次读写后自动递增。
​​limit​​：读写操作的上限。​​写模式​​下，limit等于capacity；​​读模式​​下，limit等于有效数据的末尾位置（由flip()方法设置）。
​​mark​​：通过mark()方法保存position的某个状态，后续可通过reset()恢复到此位置。 

总结

Buffer本质上是​​封装了数组的内存块​​，通过capacity（容量）、position（读写位置）、limit（操作上限）、mark（标记位）四个属性管理数据流。例如，ByteBuffer底层是byte[]数组，其他类型如IntBuffer同理

核心功能​​
​​缓冲作用​​：在I/O操作中，Channel（通道）与Buffer配合，实现数据的批量读写。例如，写数据时先填充Buffer再批量写入Channel，减少直接操作磁盘或网络的次数，提升效率。
​​状态切换​​：通过flip()切换读写模式（写模式下limit=capacity，读模式下limit=position），以及clear()/compact()清空或压缩数据。

channal:

定位：替代传统 BIO 的 Stream，提供双向数据传输能力。

底层接口

主要实现类

类名用途
FileChannel文件 I/O（不支持非阻塞模式）
SocketChannelTCP 网络套接字（客户端/服务端）
ServerSocketChannelTCP 服务端监听套接字
DatagramChannelUDP 数据报通道
Pipe.SinkChannel/SourceChannel线程间通信通道

 Selector（选择器）：多路复用控制器

单线程管理多个通道的核心组件，实现 "1个线程处理1000连接"。

是NIO的核心，通过监控多个Channal 实现单个线程并发处理多个请求

selector也位于channals包下：

总结

NIO模型中，每个连接（无论是客户端连接还是服务端监听）都对应一个Channel，将这些Channel注册到同一个Selector上，由Selector统一监控这些Channel的I/O事件（如读、写、连接等）。Selector的核心作用就是用一个线程管理多个Channel，实现高并发。

代码示例：

服务器端：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;public class nioTest {private static final int PORT = 8080;private static final int BUFFER_SIZE = 1024;public static void main(String[] args) throws IOException {// 1. 创建Selector（多路复用器）Selector selector = Selector.open();// 2. 创建ServerSocketChannel并配置非阻塞ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false); // 关键：设置为非阻塞模式serverChannel.bind(new InetSocketAddress(PORT));// 3. 注册ACCEPT事件到SelectorserverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);System.out.println("NIO 服务端启动，监听端口: " + PORT);// 4. 事件循环（单线程处理所有连接）while (true) {// 阻塞等待就绪的通道（可设置超时）int readyChannels = selector.select(1000); // 等待1秒if (readyChannels == 0) {System.out.println("等待事件中...");continue;}// 5. 获取就绪的SelectionKey集合Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> keyIterator = selectedKeys.iterator();while (keyIterator.hasNext()) {SelectionKey key = keyIterator.next();// 6. 处理连接事件if (key.isAcceptable()) {handleAccept(key, selector);}// 7. 处理读事件if (key.isReadable()) {handleRead(key);}// 8. 处理写事件（通常只在需要时注册）if (key.isWritable()) {handleWrite(key);}// 9. 移除已处理的Key（必须！）keyIterator.remove();}}}// 处理新连接private static void handleAccept(SelectionKey key, Selector selector)throws IOException {ServerSocketChannel serverChannel = (ServerSocketChannel) key.channel();// 10. 接受连接（非阻塞，立即返回）SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();if (clientChannel == null) return;System.out.println("客户端连接: " + clientChannel.getRemoteAddress());// 11. 配置客户端通道为非阻塞clientChannel.configureBlocking(false);// 12. 注册读事件，并附加BufferclientChannel.register(selector,SelectionKey.OP_READ,ByteBuffer.allocate(BUFFER_SIZE)  // 附加Buffer对象);}// 处理读数据private static void handleRead(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();  // 获取附加的Buffer// 13. 非阻塞读取（不会长时间阻塞！）int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead == -1) {  // 客户端关闭连接System.out.println("客户端断开: " + clientChannel.getRemoteAddress());clientChannel.close();return;}if (bytesRead > 0) {// 14. 切换Buffer为读模式buffer.flip();// 15. 处理数据（简单打印）byte[] data = new byte[buffer.remaining()];buffer.get(data);String message = new String(data);System.out.println("收到数据: " + message);// 16. 准备写回响应（注册写事件）key.interestOps(SelectionKey.OP_WRITE);// 17. 保存响应数据（实际应用应更复杂）key.attach(ByteBuffer.wrap(("ECHO: " + message).getBytes()));// 18. 清空Buffer（或compact()处理半包）buffer.clear();}}// 处理写数据private static void handleWrite(SelectionKey key) throws IOException {SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();// 19. 非阻塞写入while (buffer.hasRemaining()) {clientChannel.write(buffer);}// 20. 重新注册读事件（取消写事件）key.interestOps(SelectionKey.OP_READ);// 21. 重置Buffer（为下次读准备）buffer.clear();}
}

客户端：

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;
import java.util.Scanner;public class NioClient {public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {// 1. 创建SocketChannel（非阻塞）SocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.configureBlocking(false);// 2. 异步连接服务器（立即返回）socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8080));// 3. 等待连接完成（非阻塞方式）while (!socketChannel.finishConnect()) {System.out.println("连接建立中...");Thread.sleep(300); // 模拟其他操作}System.out.println("连接服务器成功！");// 4. 用户输入循环Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (true) {System.out.print("输入消息: ");String message = scanner.nextLine();// 5. 非阻塞写入ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap(message.getBytes());while (buffer.hasRemaining()) {socketChannel.write(buffer);}// 6. 非阻塞读取响应ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = socketChannel.read(readBuffer);if (bytesRead > 0) {readBuffer.flip();byte[] data = new byte[readBuffer.remaining()];readBuffer.get(data);System.out.println("收到响应: " + new String(data));}}}
}

三、AIO

核心机制：
异步回调或Future机制，由操作系统完成IO操作后通知应用，无需应用线程等待。

关键组件：

  • AsynchronousServerSocketChannel：异步处理连接。

  • CompletionHandler 或 Future：处理完成事件或获取结果。

工作流程：

  1. 服务端通过 accept() 异步接收连接，立即返回。

  2. 操作系统完成连接建立后，回调 CompletionHandler。

  3. 读写操作同理，数据就绪后触发回调。

四、redis中的多路复用和NIO中的多路复用

redis也使用了多路复用，但是底层

组件Java NIORedis
语言JavaC 语言
底层依赖JVM 封装的 epoll/kqueue直接调用操作系统的 epoll/kqueue
实现级别JVM 用户空间操作系统内核空间


四、总结

持续更新

http://www.xdnf.cn/news/1003357.html

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