Java中的Java I/O模型：BIO、NIO、AIO详解

一、概述
Java I/O模型是处理输入输出的核心机制，主要分为三种模式：BIO（Blocking IIO，同步阻塞I/O）、NIO（Non-blocking I/O，同步非阻塞I/O）和AIO（Asynchronous I/O，异步非阻塞I/O）。理解这些模型的区别对构建高性能网络应用至关重要。

二、BIO（同步阻塞I/O）

1. 基本机制：

   • 采用"一个连接对应一个线程"的模型
   • 当线程执行read()/write()操作时，会一直阻塞直到数据就绪
   • 服务端通过ServerSocket的accept()方法阻塞等待客户端连接

2. 工作流程：

   主线程：ServerSocket.accept() → 阻塞等待连接
   新连接到达 → 创建新线程处理该连接
   工作线程：InputStream.read() → 阻塞等待数据
   数据到达 → 处理请求 → 返回响应
   

3. 代码示例：

   // 服务端代码片段
   ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
   while (true) {
       Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞点
       new Thread(() -> {
           InputStream in = socket.getInputStream();
           // read()会阻塞直到数据到达
           in.read();
           // 处理业务逻辑...
       }).start();
   }
   

4. 优缺点：

   • 优点：编程简单，适合连接数少的场景
   • 缺点：线程资源消耗大，并发性能差

三、NIO（同步非阻塞I/O）

1. 核心组件：

   • Channel：双向通信通道，替代BIO的Stream
   • Buffer：数据缓冲区，提供结构化数据访问
   • Selector：多路复用器，监控多个Channel的状态

2. 非阻塞原理：

   • Channel.configureBlocking(false)设置为非阻塞模式
   • read()/write()调用立即返回，不阻塞线程
   • Selector通过轮询检测就绪的Channel

3. 工作流程：

   创建Selector → 注册Channel到Selector
   while (true) {
       selector.select() → 阻塞直到有事件就绪
       遍历SelectionKey集合：
           - 如果是ACCEPT事件：处理新连接
           - 如果是READ事件：读取数据
           - 如果是WRITE事件：写入数据
   }
   

4. 代码结构：

   Selector selector = Selector.open();
   ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
   serverChannel.configureBlocking(false);
   serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
   
   while (true) {
       selector.select(); // 阻塞直到有事件
       Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
       for (SelectionKey key : keys) {
           if (key.isAcceptable()) {
               // 处理新连接
           } else if (key.isReadable()) {
               // 读取数据（非阻塞）
           }
       }
   }
   

5. 与BIO的关键区别：

   • BIO面向流（Stream），NIO面向通道（Channel）
   • BIO是阻塞的，NIO是非阻塞的
   • BIO没有缓冲区概念，NIO基于Buffer工作

四、AIO（异步非阻塞I/O）

1. 异步机制：

   • 采用"订阅-通知"模式，应用程序发起I/O操作后立即返回
   • 操作系统完成I/O操作后主动回调通知应用程序
   • 真正的异步非阻塞，不需要轮询

2. 核心接口：

   • AsynchronousSocketChannel：异步Socket通道
   • CompletionHandler：完成回调处理器
   • Future：获取异步操作结果

3. 工作模式：

   // 回调模式示例
   AsynchronousServerSocketChannel server = 
       AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080));
   
   server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
       @Override
       public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Void attachment) {
           // 连接建立成功后的回调
           ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
           client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
               @Override
               public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                   // 数据读取完成后的回调
               }
           });
       }
   });
   

4. 与NIO的关键区别：

   • NIO需要应用程序主动轮询/处理就绪事件（同步）
   • AIO由操作系统完成后主动通知应用程序（异步）

五、三种模型对比

六、选择建议

• BIO：客户端连接数<1000，要求编程简单
• NIO：高并发场景，如聊天服务器、游戏服务器
• AIO：文件I/O、大量长连接场景（Linux支持有限）