【Java知识点详解 2】BIO、NIO、AIO 介绍和适用场景分析

雨点打透心脏的1/2处 2021-08-31 00:47 311阅读 0赞

IO的方式通常分为几种，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、异步非阻塞的AIO。

# 一、同步阻塞的BIO #

在JDK1.4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响应，如果没有则会一直等待或者遭到拒绝请求，如果有的话，客户端线程会等待请求结束后才继续执行。

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# 二、同步非阻塞的NIO #

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，而且操作系统本身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和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使用少量线程，每个连接公用一个线程。

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# 三、异步非阻塞AIO  #

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## 1、异步非阻塞AIO  ##

与NIO不同，当进行读写操作时，只需直接调用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，这部分内容成为AIO。

## 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。

BIO是一个连接一个线程。

NIO是一个请求一个线程。

AIO是一个有效请求一个线程。

## 3、以银行取款为例，理解一下概念 ##

*  同步 ： 自己亲自出马持银行卡到银行取钱（使用同步IO时，Java自己处理IO读写）；
 *  异步 ： 委托一小弟拿银行卡到银行取钱，然后给你（使用异步IO时，Java将IO读写委托给OS处理，需要将数据缓冲区地址和大小传给OS(银行卡和密码)，OS需要支持异步IO操作API）；
 *  阻塞 ： ATM排队取款，你只能等待（使用阻塞IO时，Java调用会一直阻塞到读写完成才返回）；
 *  非阻塞 ： 柜台取款，取个号，然后坐在椅子上做其它事，等号广播会通知你办理，没到号你就不能去，你可以不断问大堂经理排到了没有，大堂经理如果说还没到你就不能去（使用非阻塞IO时，如果不能读写Java调用会马上返回，当IO事件分发器会通知可读写时再继续进行读写，不断循环直到读写完成）

# 四、java对BIO、NIO、AIO的支持 #

## 1、java BIO：同步并阻塞 ##

在此种方式下，用户进程在发起一个IO操作以后，必须等待IO操作的完成，只有当真正完成了IO操作以后，用户进程才能运行。JAVA传统的IO模型属于此种方式！

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。

## 2、java NIO：同步非阻塞 ##

在此种方式下，用户进程发起一个IO操作以后边可返回做其它事情，但是用户进程需要时不时的询问IO操作是否就绪，这就要求用户进程不停的去询问，从而引入不必要的CPU资源浪费。其中目前JAVA的NIO就属于同步非阻塞IO。

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。

## 3、java AIO：异步非阻塞 ##

在此种模式下，用户进程只需要发起一个IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，应用程序会得到IO操作完成的通知，此时用户进程只需要对数据进行处理就好了，不需要进行实际的IO读写操作，因为真正的IO读取或者写入操作已经由内核完成了。目前Java中还没有支持此种IO模型。

服务器实现模式为一个有效请求一个线程，客户端的I/O请求都是有OS先完成了再通知服务器应用去启动线程进行处理。

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# 五、BIO、NIO、AIO适用场景分析 #

BIO方式适用于连接数目比较少且固定的架构，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，程序只管简单易理解。

NIO方式适用于连接数目多且比较短的架构，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方式适用于连接数目多且连接比较长的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK1.7开始支持。

# 六、 Tomcat（ BIO ）和Jetty（NIO） #

Tomcat和Jetty是目前全球范围内最著名的两款开源的webserver/servlet容器。

## 相同点： ##

1、Tomcat和Jetty都是一种servlet引擎，他们都支持标准的servlet规范和JavaEE的规范。

## 不同点： ##

### 1、架构比较 ###

（1）Jetty的架构比Tomcat简单。

（2）Jetty的架构是基于handler来实现的，主要的扩展功能都可以使用handler来实现，扩展简单。

（3）Tomcat的架构是基于容器设计的，进行扩展是需要了解Tomcat的整体设计结构，不易扩展。

### 2、性能比较 ###

（1）Jetty和Tomcat性能方面差异不大。

（2）Jetty可以同时处理大量连接而且可以长时间保持连接，适合web聊天应用等等。

（3）Jetty的架构简单，因此作为服务器，Jetty可以按需加载组件，减少不必要的组件，减少了服务器内部开销，从而提高服务器性能。

（4）Jetty默认采用NIO结束处理I/O请求上更占优势，在处理静态资源时，性能较高。

（5）Tomcat适合处理少数非常繁忙的链接，Tomcat的总体性能更高。Tomcat默认采用BIO处理I/O请求，在处理静态资源时，性能较差。

### 3、其他比较 ###

（1）Jetty的应用更加快速，修改简单，对新的servlet规范的支持较好。

（2）Tomcat目前应用比较广泛，对javaEE和servlet的支持更加全面，很多性能会直接集成进来。

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[Java]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/106808115
[Java_ _ EnumMap]: https://blog.csdn.net/guorui_java/article/details/106789054