这篇文章主要讲解了“Netty学习基本知识之什么是BIO 、NIO 、AIO”，文中的讲解内容简单清晰，易于学习与理解，下面请大家跟着小编的思路慢慢深入，一起来研究和学习“Netty学习基本知识之什么是BIO 、NIO 、AIO”吧！
基本概念
IO模型就是说用什么样的通道进行数据的发送和接收，Java 共支持3中网络变成 IO 模式：BIO、NIO、AIO。Java 中的 BIO、NIO 和 AIO 理解为是 Java 语言对操作系统的各种 IO 模型的封装。我们在使用这些 API 的时候，不需要关系操作系统层面的知识，也不需要根据不同操作系统编写不同的代码。
在讲 BIO、NIO、AIO 之前先回顾几个概念：同步与异步、阻塞与非阻塞、I/O模型。
同步与异步
同步和异步的区别最大在于异步的话调用者不需要等待结果处理，被调用者会通过回调等机制来通知调用者返回结果。
阻塞和非阻塞
同步异步与阻塞非阻塞（段子）
老张烧开水的故事（故事来源网络）
老张爱喝茶，废话不说，煮开水。
出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
1.老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）
老张觉得自己有点傻
2.老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）
老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~的噪音。
3.老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）
老张觉得这样傻等意义不大
4.老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）
老张觉得自己聪明了。
所谓同步异步，只是对于水壶而言
所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言
常见的 I/O 模型对比
所有的系统 I/O 都分为两个阶段：等待就绪 和 操作。
举例来说，读函数，分为等待系统可读和真正的读；同理，写函数分为等待网卡可以写和真正的写。
需要说明的是等待就绪的阻塞是不使用 CPU 的，是在“空等”；而真正的读操作的阻塞是使用 CPU 的，真正在“干活”，而且这个过程非常快，属于 memory copy，带宽通常在 1GB/s 级别以上，可以理解为基本不耗时。
如下几种常见 I/O 模型的对比：
以socket.read()为例子：
传统的BIO里面socket.read()，如果TCP RecvBuffer里没有数据，函数会一直阻塞，直到收到数据，返回读到的数据。
对于NIO，如果TCP RecvBuffer有数据，就把数据从网卡读到内存，并且返回给用户；反之则直接返回0，永远不会阻塞。
AIO(Async I/O)里面会更进一步：不但等待就绪是非阻塞的，就连数据从网卡到内存的过程也是异步的。
换句话说，BIO里用户最关心“我要读”，NIO里用户最关心"我可以读了"，在AIO模型里用户更需要关注的是“读完了”。
NIO一个重要的特点是：socket主要的读、写、注册和接收函数，在等待就绪阶段都是非阻塞的，真正的I/O操作是同步阻塞的（消耗CPU但性能非常高）。
BIO（Blocking I/O）
同步阻塞 I/O 模式，数据的读取写入必须阻塞在一个线程内等待其完成（一个客户端连接对于一个处理线程）。
传统 BIO
BIO通信（一请求一应答）模型图如下(图源网络)：
采用 BIO 通信模型 的服务队，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听客户端的连接。我们一般通过在 while(true) 循环中服务端会调用 accept() 方法等待客户端连接的方式监听请求，请求一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字在这个通信套接字上进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待当前连接的客户端的操作执行完成，不过可以通过多线程来支持多个客户端的连接，如上图所示。
如果要让 BIO 通信模型 能够同时处理多个客户端的请求，就必须使用多线程（要原因是 socket.accept()、 socket.read()、 socket.write() 涉及的三个主要函数都是同步阻塞的），当一个连接在处理 I/O 的时候，系统是阻塞的，如果是单线程的必然就挂死在哪里。开启多线程，就可以让CPU去处理更多的事情。也就是说它在接收到客户端连接请求之后为每个客户端创建一个新的线程进行链路处理，处理完成之后，通过输出流返回给客户端，线程销毁。这就是典型的 一请求一应答通信模型。
其实这也是所有使用多线程的本质：
我们可以设想以下如果连接不做任何的事情的话就会造成不必要的线程开销，不过可以通过 线程池机制 改善，线程池还可以让线程的创建和回收成本相对较低。例如使用FixedTreadPool 可以有效的控制来线程的最大数量，保证来系统有限的资源的控制，实现了N（客户端请求数量）：M（处理客户端请求的线程数量）的伪异步I/O模型（N可以远远大于M）。
我们再设想以下当客户端并发访问量增加后这种模型会出什么问题？ 随着并发访问量增加会导致线程数急剧膨胀可能会导致线程堆栈溢出、创建新线程失败等问题，最终导致进程宕机或者僵死，不能对外提供服务。
在Java虚拟机中，线程是宝贵的资源，主要体现在：
1.线程的创建和销毁成本很高，尤其在 Linux 操作系统中，线程本质上就是一个进程，创建和销毁线程都是重量级的系统函数；
2.线程本身占用较大内存，像 Java 的线程栈，一般至少分配 512k～1M 的空间，如果系统中的线程数过千，恐怕整个 JVM 的内存都会被吃掉一半；
3.线程的切换成本也很高。操作系统发生线程切换的时候，需要保留线程的上下文，然后执行系统调用。如果线程数过高，可能执行线程切换的时间甚至会大于线程执行的时间，这时候带来的表现往 往是系统load偏高，CPU sy 使用率特别高（超过20%以上），导致系统几乎陷入不可用的状态；
4.容易造成锯齿状的系统负载。因为系统的负载是用活动线程数和CPU核心数，一旦线程数量高但外部网络环境不是很稳定，就很容易造成大量请求的结果同时返回，激活大量阻塞线程从而使系统负载压力过大。 Linux系统中CPU中sy过高> sy的值表示是内核的消耗，如果出现sy的值过高，不要先去考虑是内核的问题，先查看是不是内存不足，是不是磁盘满，是不是IO的问题，就是说先考虑自己进程的问题，比方是否IO引起的问题，是否网络引起的问题的。排查系统IO或者网络等是否已经到瓶颈了。
伪异步 I/O
为了解决同步阻塞I/O面临的一个链路需要一个线程处理的问题，后来有人对它的线程模型进行了优化：后端通过一个线程池来处理多个客户端的请求接入，形成客户端个数M：线程池最大线程数N的比例关系，其中M可以远远大于N.通过线程池可以灵活地调配线程资源，设置线程的最大值，防止由于海量并发接入导致线程耗尽。
伪异步IO模型图(图源网络)
采用线程池和任务队列可以实现一种叫做伪异步的 I/O 通信框架，它的模型图如上图所示。当有新的客户端接入时，将客户端的 Socket 封装成一个Task（该任务实现java.lang.Runnable接口）投递到后端的线程池中进行处理，JDK 的线程池维护一个消息队列和 N 个活跃线程，对消息队列中的任务进行处理。由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此，它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。
伪异步I/O通信框架采用了线程池实现，因此避免了为每个请求都创建一个独立线程造成的线程资源耗尽问题。不过因为它的底层仍然是同步阻塞的BIO模型，因此无法从根本上解决问题。
缺点
鸿蒙官方战略合作共建——HarmonyOS技术社区
IO 代码里 read 操作是阻塞操作，如果连接不做数据读写操作会导致线程阻塞，浪费资源；
如果线程很多，会导致服务器线程太多，压力太大。
应用场景
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，但程序简单理解。
BIO 代码示例
服务端
package com.niuh.bio; import java.io.IOException; import java.net.ServerSocket;import java.net.Socket;public class SocketServer { public static void main(String[] args) throws IOException { ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(9000); while (true) { System.out.println("等待连接。。"); //阻塞方法 final Socket socket = serverSocket.accept(); System.out.println("有客户端连接了。。"); // 多线程处理 new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { try { handler(socket); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }).start(); // 单线程处理 //handler(socket); } } private static void handler(Socket socket) throws IOException { System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId()); byte[] bytes = new byte[1024]; System.out.println("准备read。。"); //接收客户端的数据，阻塞方法，没有数据可读时就阻塞 int read = socket.getInputStream().read(bytes); System.out.println("read完毕。。"); if (read != -1) { System.out.println("接收到客户端的数据：" + new String(bytes, 0, read)); System.out.println("thread id = " + Thread.currentThread().getId()); } socket.getOutputStream().write("HelloClient".getBytes()); socket.getOutputStream().flush(); }}客户端
package com.niuh.bio; import java.io.IOException; import java.net.Socket; public class SocketClient { public static void main(String[] args) throws IOException { Socket socket = new Socket("127.0.0.1", 9000); //向服务端发送数据 socket.getOutputStream().write("HelloServer".getBytes()); socket.getOutputStream().flush(); System.out.println("向服务端发送数据结束"); byte[] bytes = new byte[1024]; //接收服务端回传的数据 socket.getInputStream().read(bytes); System.out.println("接收到服务端的数据：" + new String(bytes)); socket.close(); } }NIO（Non Blocking IO）
同步非阻塞，服务器实现模式为一个线程可以处理多个请求（连接），客户端发送的连接请求都会注册到 多路复用器 selector 上，多路复用器轮询到连接有 IO 请求就进行处理。
它支持面向缓冲的，基于通道的I/O操作方法。NIO提供了与传统BIO模型中的 Socket 和 ServerSocket 相对应的 SocketChannel 和 ServerSocketChannel 两种不同的套接字通道实现，两种通道都支持阻塞和非阻塞两种模式。
对于低负载、低并发的应用程序，可以使用同步阻塞I/O来提升开发速率和更好的维护性； 对于高负载、高并发的（网络）应用，应使用 NIO 的非阻塞模式来开发。
NIO核心组件
NIO 有三大核心组件：
Channel（通道）
Buffer（缓冲区）
Selector（选择器）
整个NIO体系包含的类远远不止这三个，只能说这三个是NIO体系的“核心API”。
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channel 类似于流，每个 channel 对应一个 buffer 缓冲区，buffer 底层就是个数组；
channel 会注册到 selector 上，由 selector 根据 channel 读写事件的发生将其交由某个空闲的线程处理；
selector 可以对应一个或多个线程
NIO 的 Buffer 和 channel 既可以读也可以写
NIO的特性
我们从一个问题来总结：NIO 与 IO 的区别？
如果是在面试中来回答这个问题，我觉得首先肯定要从 NIO 流是非阻塞 IO，而 IO 流是阻塞 IO说起。然后可以从 NIO 的3个核心组件/特性为 NIO 带来的一些改进来分析。
IO流是阻塞的，NIO流不是阻塞的
Java NIO 使我们可以进行非阻塞 IO 操作。比如说，单线程中从通道读取数据到 buffer，同时可以继续做别的事情，当数据读取到 buffer 中后，线程再继续处理数据。写数据也是一样的。另外，非阻塞写也是日常，一个线程请求写入一些数据到某通道，但不需要等待它完全写入，这个线程同时可以去做别的事情。
Java IO 的各种流是阻塞的，这意味着，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数据完全写入。该线程在此期间不能再干任何事情了。
IO 面向流（Stream oriented），NIO 面向缓冲区（Buffer oriented）
Buffer（缓冲区）
Buffer 是一个对象，它包含一些要写入或者要读出的数据。在 NIO 类库中加入 Buffer对象，体现了新库与原库 I/O的一个重要区别：
最常用的缓冲区是 ByteBuffer，ByteBuffer 提供流一组功能用于操作 byte 数组。除了 ByteBuffer 还有其他的一些缓冲区，事实上，每一种 Java 基本类型（除了 Boolean 类型）都对应有一种缓冲区。
NIO 通过 Channel（通道）进行读写
Channel（通道）
通道是双向的，可读也可以写，而流的读写是单向的。无论读写，通道只能和 Buffer 交互。因为 Buffer，通道可以异步地读写。
NIO 有选择器，而 IO 没有
Selectors（选择器）
选择器用于使用单线程处理多个通道。因此，它需要较少的线程来处理这些通道。线程之间的切换对于操作系统来说是昂贵的。因此，为了提供系统效率选择器是有用的。
NIO 读数据和写数据
通常来说 NIO 中的所有 IO 都是从 Channel（通道）开始的。
数据读取和写入操作如下：
应用场景
NIO 方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器、弹幕系统、服务器间通讯、编程比较复杂。
NIO 代码示例
服务端
package com.niuh.nio; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.ServerSocketChannel;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.util.Iterator;public class NIOServer { //public static ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10); public static void main(String[] args) throws IOException { // 创建一个在本地端口进行监听的服务Socket通道.并设置为非阻塞方式 ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open(); //必须配置为非阻塞才能往selector上注册，否则会报错，selector模式本身就是非阻塞模式 ssc.configureBlocking(false); ssc.socket().bind(new InetSocketAddress(9000)); // 创建一个选择器selector Selector selector = Selector.open(); // 把ServerSocketChannel注册到selector上，并且selector对客户端accept连接操作感兴趣 ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); while (true) { System.out.println("等待事件发生。。"); // 轮询监听channel里的key，select是阻塞的，accept()也是阻塞的 int select = selector.select(); System.out.println("有事件发生了。。"); // 有客户端请求，被轮询监听到 Iterator<SelectionKey> it = selector.selectedKeys().iterator(); while (it.hasNext()) { SelectionKey key = it.next(); //删除本次已处理的key，防止下次select重复处理 it.remove(); handle(key); } } } private static void handle(SelectionKey key) throws IOException { if (key.isAcceptable()) { System.out.println("有客户端连接事件发生了。。"); ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel(); //NIO非阻塞体现：此处accept方法是阻塞的，但是这里因为是发生了连接事件，所以这个方法会马上执行完，不会阻塞 //处理完连接请求不会继续等待客户端的数据发送 SocketChannel sc = ssc.accept(); sc.configureBlocking(false); //通过Selector监听Channel时对读事件感兴趣 sc.register(key.selector(), SelectionKey.OP_READ); } else if (key.isReadable()) { System.out.println("有客户端数据可读事件发生了。。"); SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); //NIO非阻塞体现:首先read方法不会阻塞，其次这种事件响应模型，当调用到read方法时肯定是发生了客户端发送数据的事件 int len = sc.read(buffer); if (len != -1) { System.out.println("读取到客户端发送的数据：" + new String(buffer.array(), 0, len)); } ByteBuffer bufferToWrite = ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes()); sc.write(bufferToWrite); key.interestOps(SelectionKey.OP_READ | SelectionKey.OP_WRITE); } else if (key.isWritable()) { SocketChannel sc = (SocketChannel) key.channel(); System.out.println("write事件"); // NIO事件触发是水平触发 // 使用Java的NIO编程的时候，在没有数据可以往外写的时候要取消写事件， // 在有数据往外写的时候再注册写事件 key.interestOps(SelectionKey.OP_READ); //sc.close(); } }}
NIO服务端程序详细分析：
创建一个 ServerSocketChannel 和 Selector ，并将 ServerSocketChannel 注册到 Selector 上；
Selector 通过 select() 方法监听 channel 事件，当客户端连接时，selector 监听到连接事件，获取到 ServerSocketChannel 注册时绑定的 selectionKey；
selectionKey 通过 channel() 方法可以获取绑定的 ServerSocketChannel；
ServerSocketChannel 通过 accept() 方法得到 SocketChannel;
将 SocketChannel 注册到 Selector 上，关心 read 事件；
注册后返回一个 SelectionKey，会和该 SocketChannel 关联；
Selector 继续通过 select() 方法监听事件，当客户端发送数据给服务端，Selector 监听到 read 事件，获取到 SocketChannel 注册时绑定的 SelectionKey;
SelectionKey 通过 channel() 方法可以获取绑定的 socketChannel;
将 socketChannel 里的数据读取出来；
用 socketChannel 将服务端数据写回客户端。
客户端
package com.niuh.nio; import java.io.IOException;import java.net.InetSocketAddress;import java.nio.ByteBuffer;import java.nio.channels.SelectionKey;import java.nio.channels.Selector;import java.nio.channels.SocketChannel;import java.util.Iterator;public class NioClient { //通道管理器 private Selector selector; /** * 启动客户端测试 * * @throws IOException */ public static void main(String[] args) throws IOException { NioClient client = new NioClient(); client.initClient("127.0.0.1", 9000); client.connect(); } /** * 获得一个Socket通道，并对该通道做一些初始化的工作 * * @param ip 连接的服务器的ip * @param port 连接的服务器的端口号 * @throws IOException */ public void initClient(String ip, int port) throws IOException { // 获得一个Socket通道 SocketChannel channel = SocketChannel.open(); // 设置通道为非阻塞 channel.configureBlocking(false); // 获得一个通道管理器 this.selector = Selector.open(); // 客户端连接服务器,其实方法执行并没有实现连接，需要在listen（）方法中调 //用channel.finishConnect() 才能完成连接 channel.connect(new InetSocketAddress(ip, port)); //将通道管理器和该通道绑定，并为该通道注册SelectionKey.OP_CONNECT事件。 channel.register(selector, SelectionKey.OP_CONNECT); } /** * 采用轮询的方式监听selector上是否有需要处理的事件，如果有，则进行处理 * * @throws IOException */ public void connect() throws IOException { // 轮询访问selector while (true) { selector.select(); // 获得selector中选中的项的迭代器 Iterator<SelectionKey> it = this.selector.selectedKeys().iterator(); while (it.hasNext()) { SelectionKey key = (SelectionKey) it.next(); // 删除已选的key,以防重复处理 it.remove(); // 连接事件发生 if (key.isConnectable()) { SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 如果正在连接，则完成连接 if (channel.isConnectionPending()) { channel.finishConnect(); } // 设置成非阻塞 channel.configureBlocking(false); //在这里可以给服务端发送信息哦 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes()); channel.write(buffer); //在和服务端连接成功之后，为了可以接收到服务端的信息，需要给通道设置读的权限。 channel.register(this.selector, SelectionKey.OP_READ); // 获得了可读的事件 } else if (key.isReadable()) { read(key); } } } } /** * 处理读取服务端发来的信息 的事件 * * @param key * @throws IOException */ public void read(SelectionKey key) throws IOException { //和服务端的read方法一样 // 服务器可读取消息:得到事件发生的Socket通道 SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel(); // 创建读取的缓冲区 ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); int len = channel.read(buffer); if (len != -1) { System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len)); } } }总结
NIO 模型的 selector 就像一个大总管，负责监听各种 I/O 事件，然后转交给后端线程去处理。
NIO 相对于 BIO 非阻塞的体现就在：BIO 的后端线程需要阻塞等待客户端写数据（比如 read 方法），如果客户端不写数据线程就要阻塞。
NIO 把等到客户端操作的时候交给了大总管 selector ，selector 负责轮询所有已注册的客户端，发现有事件发生了才转交给后端线程处理，后端线程不需要做任何阻塞等待，直接处理客户端事件的数据即可，处理完马上结束，或返回线程池供其他客户端事件继续使用。还有就是 channel 的读写是非阻塞的。
Redis 就是典型的 NIO 线程模型，selector 收集所有的事件并且转给后端线程，线程连续执行所有事件命令并将结果写回客户端。
AIO（Asynchronous I/O）
异步非阻塞， 由操作系统完成后回调通知服务端程序启动线程去处理， 一般适用于连接数较多且连接时间较长的应用。
AIO 也就是 NIO 2。在 Java 7 中引入了 NIO 的改进版 NIO 2,它是异步非阻塞的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。
AIO 是异步IO的缩写，虽然 NIO 在网络操作中，提供了非阻塞的方法，但是 NIO 的 IO 行为还是同步的。对于 NIO 来说，我们的业务线程是在 IO 操作准备好时，得到通知，接着就由这个线程自行进行 IO 操作，IO操作本身是同步的。（除了 AIO 其他的 IO 类型都是同步的）
应用场景
AIO 方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构。
AIO 代码示例
服务端
package com.niuh.aio; import java.io.IOException; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel; import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel; import java.nio.channels.CompletionHandler; public class AIOServer { public static void main(String[] args) throws Exception { final AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(9000)); serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() { @Override public void completed(final AsynchronousSocketChannel socketChannel, Object attachment) { try { // 再此接收客户端连接，如果不写这行代码后面的客户端连接连不上服务端 serverChannel.accept(attachment, this); System.out.println(socketChannel.getRemoteAddress()); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024); socketChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() { @Override public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) { buffer.flip(); System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result)); socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloClient".getBytes())); } @Override public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) { exc.printStackTrace(); } }); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } @Override public void failed(Throwable exc, Object attachment) { exc.printStackTrace(); } }); Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE); } }客户端
package com.niuh.aio; import java.net.InetSocketAddress; import java.nio.ByteBuffer; import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel; public class AIOClient { public static void main(String... args) throws Exception { AsynchronousSocketChannel socketChannel = AsynchronousSocketChannel.open(); socketChannel.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 9000)).get(); socketChannel.write(ByteBuffer.wrap("HelloServer".getBytes())); ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(512); Integer len = socketChannel.read(buffer).get(); if (len != -1) { System.out.println("客户端收到信息：" + new String(buffer.array(), 0, len)); } }}BIO、NIO、AIO对比
感谢各位的阅读，以上就是“Netty学习基本知识之什么是BIO 、NIO 、AIO”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对Netty学习基本知识之什么是BIO 、NIO 、AIO这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是天达云，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！