今天我们来聊Java IO模型，BIO、NIO、AIO三种常见IO模型

一、写在开头

很久没更新喽，最近build哥一直在忙着工作，忙着写小说，都忘记学习自己的本职了，哈哈，不过现在正式回归！

我们继续学习Java的IO相关内容，之前我们了解到，所谓的IO（Input/Output）就是计算机系统与外部设备之间通信的过程。

二、IO调用过程

接下来我们从应用调用的过程中来分析一下整个IO的执行过程。不过在此之前，我们需要简单的了解一下整个操作系统的空间布局。为了保证操作系统的稳定性和安全性，一个进程的地址空间划分为用户空间（User space）和内核空间（Kernel space ）。

内核空间： 是操作系统内核所使用的空间，用来存储底层内核代码、数据结构以及内核级别的系统调用。内核空间拥有比较高的权限，比如文件管理、进程通信、内存管理等等。

用户空间： 用户级别的应用程序和服务分配的内存区域。它包含了应用程序的代码、数据和运行时堆栈。用户空间与内核空间相对隔离，具有较低的权限级别，不能直接访问内核空间或硬件资源。

所以说，我们想要进行 IO 操作，一定是要依赖内核空间的能力。平常开发过程中接触最多的就是磁盘 IO（读写文件）和网络 IO（网络请求和响应）。

执行步骤：

应用程序发起IO请求；
系统内核接受到系统调用请求；
内核等待数据准备；
内核将数据从内核空间拷贝到用户空间；
IO输出给应用程序。

三、IO常用模型

在UNIX系统中，我们所提到的IO模型一般是这四种：同步阻塞 I/O、同步非阻塞 I/O、I/O 多路复用、信号驱动 I/O 和异步 I/O。

不过，在日常使用中，我们常用的多为 BIO(Blocking I/O)：同步阻塞 IO 模型、NIO (Non-blocking/New I/O)：同步非阻塞 IO 模型、AIO (Asynchronous I/O)：异步 IO 模型。

3.1 BIO (Blocking I/O)

在传统的IO中，多以这种同步阻塞的IO模型为主，这种模型下，程序发起IO请求后，处理线程处于阻塞状态，直到请求的IO数据从内核空间拷贝到用户空间。如下图可以直观的体现整个流程（图源：沉默王二）。

如果发起IO的应用程序并发量不高的情况下，这种模型是没问题的。但很明显，当前的互联网中，很多应用都有高并发IO请求的情况，这时就迫切的需要一款高效的IO模型啦。

3.2 NIO (Non-blocking/New I/O)

这种NIO模型，这个N既可以命名为NEW代表一种新型的IO模型，又可以理解为Non-Blocking，非阻塞之意。

Java NIO 是 Java 1.4 版本引入的，基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer）进行操作，采用非阻塞式 IO 操作，允许线程在等待 IO 时执行其他任务。常见的 NIO 类有 ByteBuffer、FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel 等。（图源：深入拆解Tomcat & Jetty）

虽然在应用发起IO请求时，之多多次发起，无须阻塞。但在内核将数据拷贝到用户空间时，还是会阻塞的，为了保证数据的准确性和系统的安全稳定。

3.3 I/O 多路复用模型

在同步非阻塞IO模型下，需要通过不断的轮询去检查请求数据是否已经完成，这个过程是很耗CPU的。因此，便又诞生了I/O多路复用模型。

I/O 多路复用模型：使用操作系统提供的多路复用功能（如 select、poll、epoll 等），使得单个线程可以同时处理多个 I/O 事件。当某个连接上的数据准备好时，操作系统会通知应用程序。这样，应用程序可以在一个线程中处理多个并发连接，而不需要为每个连接创建一个线程。（图源：沉默王二）

3.4 AIO (Asynchronous I/O)

AIO 也就是 NIO 2。Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步 IO 模型。异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

总结

以上BIO、NIO、AIO三种常见的IO模型是Java面试中最常考的，大家一定要记住其各自的特点和作用。

阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，会一直等待数据传输完成，期间无法执行其他任务。
非阻塞 I/O：应用程序执行 I/O 操作时，如果数据未准备好，立即返回错误状态，不等待数据传输完成，可执行其他任务。
异步 I/O：应用程序发起 I/O 操作后，内核负责数据传输过程，完成后通知应用程序。应用程序无需等待数据传输，可执行其他任务。