深入分析JAVA IO（BIO、NIO、AIO）

IO的基本常识

1.同步

用户进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否完成

2.异步

用户触发IO操作以后,可以干别的事，IO操作完成以后再通知当前线程继续处理

3.阻塞

当一个线程调用 read() 或 write()时，该线程被阻塞，直到有一些数据被读取或写入，该线程在此期间不能执行其他任务

4.非阻塞

当线程从某通道进行读写数据时，若没有数据可用时，该线程可以进行其他任务。线程通常将非阻塞 IO 的空闲时间用于在其他通道上执行 IO 操作，所以单独的线程可以管理多个输入和输出通道。

IO事件驱动模式

在IO读写时，把 IO请求 与 读写操作 分离调配进行，需要用到事件分离器。根据处理机制的不同，事件分离器又分为：同步的Reactor和异步的Proactor。

Reactor模型：

 - 应用程序在事件分离器注册 读就绪事件 和 读就绪事件处理器
 - 事件分离器等待读就绪事件发生
 - 读就绪事件发生，激活事件分离器，分离器调用 读就绪事件处理器（即：可以进行读操作了，开始读）
 - 读事件处理器开始进行读操作，把读到的数据提供给程序使用

Proactor模型：

 - 应用程序在事件分离器注册 读完成事件 和 读完成事件处理器，并向操作系统发出异步读请求
 - 事件分离器等待操作系统完成读取
 - 在分离器等待过程中，操作系统利用并行的内核线程执行实际的读操作，并将结果数据存入用户自定义缓冲区，最后通知事件分离器读操作完成
 - 事件分离器监听到 读完成事件 后，激活 读完成事件的处理器
 - 读完成事件处理器 处理用户自定义缓冲区中的数据给应用程序使用

同步和异步的区别就在于 读 操作由谁完成：同步的Reactor是指程序发出读请求后，由分离器监听到可以进行读操作时通知事件处理器进行读操作，异步的Proactor是指程序发出读请求后，操作系统立刻异步地进行读操作了，读完之后在通知分离器，分离器激活处理器直接取用已读到的数据。

同步阻塞IO（BIO）

我们熟知的Socket就是BIO，每一个socket套接字需要使用一个线程来处理。建立连接、进行读写操作的时候都可能阻塞。在服务器端如果要支持并发的连接时，需要更多的线程。连接不做任何事情的时候会造成不必要的线程开销，可通过线程池来改善。

同步非阻塞IO（NIO）

New IO是对BIO的改进，基于Reactor模型。我们知道，一个socket连接只有在特定时间才会发生数据传输IO操作，大部分时间这个“数据通道”是空闲的，但还是占用着线程。NIO作出的改进就是“多个连接一个线程”，在连接到服务端的众多socket中，只有需要进行IO操作的才能获取服务端的处理线程进行IO。这样就不会因为线程不够用而限制了socket的接入。客户端的socket连接到服务端时，就会在事件分离器注册一个 IO请求事件 和 IO 事件处理器。在该连接发生IO请求时，IO事件处理器就会启动一个线程来处理这个IO请求，不断尝试获取系统的IO的使用权限，则通知这个socket进行IO数据传输。

NIO主要有三大核心部分：Channel(通道)，Buffer(缓冲区), Selector。传统IO基于字节流和字符流进行操作，而NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作，数据总是从通道读取到缓冲区中，或者从缓冲区写入到通道中。Selector(选择区)用于监听多个通道的事件（比如：连接打开，数据到达）。因此，单个线程可以监听多个数据通道。

NIO基于Channel和Buffer(缓冲区)进行操作

Selector(选择区)用于监听多个通道的事件

异步阻塞IO（AIO）

NIO是同步的IO，是因为程序需要IO操作时，必须获得了IO权限后亲自进行IO操作才能进行下一步操作。AIO是对NIO的改进（所以AIO又叫NIO.2），它是基于Proactor模型的。每个socket连接在事件分离器注册 IO完成事件 和 IO完成事件处理器。程序需要进行IO时，向分离器发出IO请求并把所用的Buffer区域告知分离器，分离器通知操作系统进行IO操作，操作系统自己不断尝试获取IO权限并进行IO操作（数据保存在Buffer区），操作完成后通知分离器；分离器检测到 IO完成事件，则激活 IO完成事件处理器，处理器会通知程序说“IO已完成”，程序知道后就直接从Buffer区进行数据的读写。

AIO是发出IO请求后，由操作系统自己去获取IO权限并进行IO操作；NIO则是发出IO请求后，由线程不断尝试获取IO权限，获取到后通知应用程序自己进行IO操作。

总结

BIO，NIO，AIO可以简述如下：

BIO是同步并阻塞，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。

NIO是同步非阻塞，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。

AIO是异步非阻塞，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。

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

NIO方式适用于连接数目多且连接比较短的架构，可充分利用服务器资源

AIO方式使用于连接数目多且连接比较长的架构，充分调用OS参与并发操作