Java有哪三種IO模型

這篇文章主要為大家展示了Java有哪三種IO模型，內(nèi)容簡而易懂，希望大家可以學習一下，學習完之后肯定會有收獲的，下面讓小編帶大家一起來看看吧。

Java中IO的模型分為三種，同步阻塞的BIO、同步非阻塞的NIO、異步非阻塞的AIO。

BIO【同步阻塞】

在JDK1.4出來之前，我們建立網(wǎng)絡連接的時候采用BIO模式，需要先在服務端啟動一個ServerSocket，然后在客戶端啟動Socket來對服務端進行通信，默認情況下服務端需要對每個請求建立一堆線程等待請求，而客戶端發(fā)送請求后，先咨詢服務端是否有線程相應，如果沒有則會一直等待或者遭到拒絕請求，如果有的話，客戶端會線程會等待請求結束后才繼續(xù)執(zhí)行。

NIO【同步非阻塞】

NIO本身是基于事件驅動思想來完成的，其主要想解決的是BIO的大并發(fā)問題： 在使用同步I/O的網(wǎng)絡應用中，如果要同時處理多個客戶端請求，或是在客戶端要同時和多個服務器進行通訊，就必須使用多線程來處理。也就是說，將每一個客戶端請求分配給一個線程來單獨處理。這樣做雖然可以達到我們的要求，但同時又會帶來另外一個問題。由于每創(chuàng)建一個線程，就要為這個線程分配一定的內(nèi)存空間（也叫工作存儲器），而且操作系統(tǒng)本身也對線程的總數(shù)有一定的限制。如果客戶端的請求過多，服務端程序可能會因為不堪重負而拒絕客戶端的請求，甚至服務器可能會因此而癱瘓。

NIO基于Reactor，當socket有流可讀或可寫入socket時，操作系統(tǒng)會相應的通知引用程序進行處理，應用再將流讀取到緩沖區(qū)或寫入操作系統(tǒng)。 也就是說，這個時候，已經(jīng)不是一個連接就要對應一個處理線程了，而是有效的請求，對應一個線程，當連接沒有數(shù)據(jù)時，是沒有工作線程來處理的。

BIO與NIO一個比較重要的不同，是我們使用BIO的時候往往會引入多線程，每個連接一個單獨的線程；而NIO則是使用單線程或者只使用少量的多線程，每個連接共用一個線程。

NIO的最重要的地方是當一個連接創(chuàng)建后，不需要對應一個線程，這個連接會被注冊到多路復用器上面，所以所有的連接只需要一個線程就可以搞定，當這個線程中的多路復用器進行輪詢的時候，發(fā)現(xiàn)連接上有請求的話，才開啟一個線程進行處理，也就是一個請求一個線程模式。

在NIO的處理方式中，當一個請求來的話，開啟線程進行處理，可能會等待后端應用的資源(JDBC連接等)，其實這個線程就被阻塞了，當并發(fā)上來的話，還是會有BIO一樣的問題。

HTTP/1.1出現(xiàn)后，有了Http長連接，這樣除了超時和指明特定關閉的http header外，這個鏈接是一直打開的狀態(tài)的，這樣在NIO處理中可以進一步的進化，在后端資源中可以實現(xiàn)資源池或者隊列，當請求來的話，開啟的線程把請求和請求數(shù)據(jù)傳送給后端資源池或者隊列里面就返回，并且在全局的地方保持住這個現(xiàn)場(哪個連接的哪個請求等)，這樣前面的線程還是可以去接受其他的請求，而后端的應用的處理只需要執(zhí)行隊列里面的就可以了，這樣請求處理和后端應用是異步的.當后端處理完，到全局地方得到現(xiàn)場，產(chǎn)生響應，這個就實現(xiàn)了異步處理。

AIO【異步非阻塞】

與NIO不同，當進行讀寫操作時，只須直接調(diào)用API的read或write方法即可。這兩種方法均為異步的，對于讀操作而言，當有流可讀取時，操作系統(tǒng)會將可讀的流傳入read方法的緩沖區(qū)，并通知應用程序；對于寫操作而言，當操作系統(tǒng)將write方法傳遞的流寫入完畢時，操作系統(tǒng)主動通知應用程序。 即可以理解為，read/write方法都是異步的，完成后會主動調(diào)用回調(diào)函數(shù)。 在JDK1.7中，這部分內(nèi)容被稱作NIO.2，主要在java.nio.channels包下增加了下面四個異步通道：

AsynchronousSocketChannel
AsynchronousServerSocketChannel
AsynchronousFileChannel
AsynchronousDatagramChannel

其中的read/write方法，會返回一個帶回調(diào)函數(shù)的對象，當執(zhí)行完讀取/寫入操作后，直接調(diào)用回調(diào)函數(shù)。

• BIO是一個連接一個線程。
• NIO是一個請求一個線程。
• AIO是一個有效請求一個線程。
   

先來個例子理解一下概念

以銀行取款為例：

• **同步 ： **自己親自出馬持銀行卡到銀行取錢（使用同步IO時，Java自己處理IO讀寫）；
• **異步 ： **委托一小弟拿銀行卡到銀行取錢，然后給你（使用異步IO時，Java將IO讀寫委托給OS處理，需要將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)地址和大小傳給OS(銀行卡和密碼)，OS需要支持異步IO操作API）；
• 阻塞 ： ATM排隊取款，你只能等待（使用阻塞IO時，Java調(diào)用會一直阻塞到讀寫完成才返回）；
• 非阻塞 ： 柜臺取款，取個號，然后坐在椅子上做其它事，等號廣播會通知你辦理，沒到號你就不能去，你可以不斷問大堂經(jīng)理排到了沒有，大堂經(jīng)理如果說還沒到你就不能去（使用非阻塞IO時，如果不能讀寫Java調(diào)用會馬上返回，當IO事件分發(fā)器會通知可讀寫時再繼續(xù)進行讀寫，不斷循環(huán)直到讀寫完成）
   

Java對BIO、NIO、AIO的支持：

• **Java BIO ： **同步并阻塞，服務器實現(xiàn)模式為一個連接一個線程，即客戶端有連接請求時服務器端就需要啟動一個線程進行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷，當然可以通過線程池機制改善。
• Java NIO ： 同步非阻塞，服務器實現(xiàn)模式為一個請求一個線程，即客戶端發(fā)送的連接請求都會注冊到多路復用器上，多路復用器輪詢到連接有I/O請求時才啟動一個線程進行處理。
• Java AIO(NIO.2) ： 異步非阻塞，服務器實現(xiàn)模式為一個有效請求一個線程，客戶端的I/O請求都是由OS先完成了再通知服務器應用去啟動線程進行處理，
   

BIO、NIO、AIO適用場景分析:

• BIO方式適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構，這種方式對服務器資源要求比較高，并發(fā)局限于應用中，JDK1.4以前的唯一選擇，但程序直觀簡單易理解。
• NIO方式適用于連接數(shù)目多且連接比較短（輕操作）的架構，比如聊天服務器，并發(fā)局限于應用中，編程比較復雜，JDK1.4開始支持。
• AIO方式使用于連接數(shù)目多且連接比較長（重操作）的架構，比如相冊服務器，充分調(diào)用OS參與并發(fā)操作，編程比較復雜，JDK7開始支持。
• 另外，I/O屬于底層操作，需要操作系統(tǒng)支持，并發(fā)也需要操作系統(tǒng)的支持，所以性能方面不同操作系統(tǒng)差異會比較明顯。
• 在高性能的I/O設計中，有兩個比較著名的模式Reactor和Proactor模式，其中Reactor模式用于同步I/O，而Proactor運用于異步I/O操作。

在比較這兩個模式之前，我們首先的搞明白幾個概念，什么是阻塞和非阻塞，什么是同步和異步,同步和異步是針對應用程序和內(nèi)核的交互而言的，同步指的是用戶進程觸發(fā)IO操作并等待或者輪詢的去查看IO操作是否就緒，而異步是指用戶進程觸發(fā)IO操作以后便開始做自己的事情，而當IO操作已經(jīng)完成的時候會得到IO完成的通知。

而阻塞和非阻塞是針對于進程在訪問數(shù)據(jù)的時候，根據(jù)IO操作的就緒狀態(tài)來采取的不同方式，說白了是一種讀取或者寫入操作函數(shù)的實現(xiàn)方式，阻塞方式下讀取或者寫入函數(shù)將一直等待，而非阻塞方式下，讀取或者寫入函數(shù)會立即返回一個狀態(tài)值。

一般來說I/O模型可以分為：同步阻塞，同步非阻塞，異步阻塞，異步非阻塞

• 同步阻塞IO：在此種方式下，用戶進程在發(fā)起一個IO操作以后，必須等待IO操作的完成，只有當真正完成了IO操作以后，用戶進程才能運行。JAVA傳統(tǒng)的IO模型屬于此種方式！
• 同步非阻塞IO:在此種方式下，用戶進程發(fā)起一個IO操作以后邊可返回做其它事情，但是用戶進程需要時不時的詢問IO操作是否就緒，這就要求用戶進程不停的去詢問，從而引入不必要的CPU資源浪費。其中目前JAVA的NIO就屬于同步非阻塞IO。
• 異步阻塞IO：此種方式下是指應用發(fā)起一個IO操作以后，不等待內(nèi)核IO操作的完成，等內(nèi)核完成IO操作以后會通知應用程序，這其實就是同步和異步最關鍵的區(qū)別，同步必須等待或者主動的去詢問IO是否完成，那么為什么說是阻塞的呢？因為此時是通過select系統(tǒng)調(diào)用來完成的，而select函數(shù)本身的實現(xiàn)方式是阻塞的，而采用select函數(shù)有個好處就是它可以同時監(jiān)聽多個文件句柄，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性！
• 異步非阻塞IO:在此種模式下，用戶進程只需要發(fā)起一個IO操作然后立即返回，等IO操作真正的完成以后，應用程序會得到IO操作完成的通知，此時用戶進程只需要對數(shù)據(jù)進行處理就好了，不需要進行實際的IO讀寫操作，因為真正的IO讀取或者寫入操作已經(jīng)由內(nèi)核完成了。目前Java中還沒有支持此種IO模型。

以上就是關于Java有哪三種IO模型的內(nèi)容，如果你們有學習到知識或者技能，可以把它分享出去讓更多的人看到。