作者：公眾號：我是攻城師 

前言

Java裡面的IO模型種類較多，主要包括BIO，NIO和AIO，每個IO模型都有不一樣的地方，那麼這些IO模型是如何演變呢，底層的原理又是怎樣的呢？ 本文我們就來聊聊。

BIO

BIO全稱是Blocking IO，是JDK1.4之前的傳統IO模型，本身是同步阻塞模式，針對網路通訊都是一請求一應答的方式，雖然簡化了上層的應用開發，但在效能和可靠性方面存在著巨大瓶頸，試想一下如果每個請求都需要新建一個執行緒來專門處理，那麼在高併發的場景下，機器資源很快就會被耗盡，當然，我們可以通過執行緒池來優化這種情況，但即使是這樣，仍然改變不了阻塞IO的根本問題，就是在IO執行的兩個階段都被block了。拿一個read操作來舉例子，在linux中，應用程式向linux發起read操作，會經歷兩個步驟：

第一個階段linux核心首先會把需要讀取的資料載入到作業系統核心的緩衝區中（Linux檔案系統是快取IO，也稱標準IO）

第二個階段應用程式拷貝核心裡面的資料到自己的使用者空間中

如果是socket操作，類似也會經歷兩個步驟：

第一個階段：通常涉及等待網路上的資料分組包到達，然後被複制到核心的緩衝區

第二個階段：把資料從核心緩衝區，從核心緩衝區拷貝到使用者程序的記憶體空間裡面

同步阻塞IO之所以效率低下，就是因為在這兩個階段，使用者的執行緒或者程序都是阻塞的，期間雖然不佔cpu資源，但也意味著該執行緒也不能再幹其他事。有點站著茅坑不拉屎的感覺，自己暫時不用了，也不讓別人用。

圖示如下：

NIO

由於BIO的缺點，導致Java在JDK1.0至JDK3.0中，網路通訊模組的效能一直是短板，所以很多人更傾向於使用C/C++開發高效能服務端。為了強化Java在服務端的市場，終於在JSR-51也就是JDK4.0的時候釋出了Java NIO，可以支援非阻塞IO。並新增了java.nio的包，提供很多非同步開發的API和類庫。

主要的類和介面如下：

（1）進行非同步IO操作的緩衝區ByteBuffer

（2）進行非同步IO操作的管道Pipe

（3）進行各種IO操作的Channel，主要包括ServerSocketChannel和SocketChannel

（4）實現非阻塞IO的多路複用器Selector

NIO主要有buffer、channel、selector三種技術的整合，通過零拷貝的buffer取得資料，每一個客戶端通過channel在selector（多路複用器）上進行註冊。服務端不斷輪詢channel來獲取客戶端的資訊。channel上有connect,accept（阻塞）、read（可讀）、write(可寫)四種狀態標識。根據標識來進行後續操作。所以一個服務端可接收無限多的channel。不需要新開一個執行緒。大大提升了效能。

新的nio類庫，促進了非同步非阻塞程式設計的發展和應用，但仍然有一些不足之處：

（1）沒有統一的檔案屬性，例如讀寫許可權

（2）api能力比較弱，例如目錄的及聯建立和遞迴遍歷，往往需要自己完成。

（3）底層作業系統的一些高階API無法使用

（4）所有的檔案操作都是同步阻塞呼叫，在作業系統層面上並不是非同步檔案讀寫操作。

Java裡面的NIO其實採用了多路複用的IO模式，多路複用的模式在Linux底層其實是採用了select，poll，epoll的機制，這種機制可以用單個執行緒同時監聽多個io埠，當其中任何一個socket的資料準備好了，就能返回通知使用者執行緒進行讀取操作，與阻塞IO阻塞的是每一個使用者的執行緒不一樣的地方是，多路複用只需要阻塞一個使用者執行緒即可，這個使用者執行緒通常我們叫它Selector，其實底層呼叫的是核心的select，這裡面只要任何一個IO操作就緒，就可以喚醒select，然後交由使用者執行緒處理。使用者執行緒讀取資料這個過程仍然是阻塞的，多路複用技術只是在第一個階段可以變為非阻塞呼叫，但在第二個階段拷貝資料到使用者空間，其實還是阻塞的，多路複用技術的最大特點是使用一個執行緒就可以處理很多的socket連線，儘管效能上不一定提升，但支援併發能力卻大大增強了。

圖示如下：

AIO

AIO，其實是NIO的改進優化，也被稱為NIO2.0，在2011年7月，也就是JDK7的版本中釋出，它主要提供了三個方面的改進：

（1）提供了能夠批量獲取檔案屬性的api，通過SPI服務，使得這些API具有平臺無關性。

（2）提供了AIO的功能，支援基於檔案的非同步IO操作和網路套接字的非同步操作

（3）完成了JSR-51定義的通道功能等。

AIO 通過呼叫accept方法，一個會話接入之後再次呼叫（遞迴）accept方法，監聽下一次會話，讀取也不再阻塞，回撥complete方法非同步進行。不再需要selector 使用channel執行緒組來接收。

從NIO上面我們能看到，對於IO的兩個階段的阻塞，只是對於第一個階段有所改善，對於第二個階段在NIO裡面仍然是阻塞的。而真正的理想的非同步非阻塞IO（AAIO）要做的就是，將IO操作的兩個階段都全部交給核心系統完成，使用者執行緒只需要告訴核心，我要讀取一塊資料，請你幫我讀取，讀取完了放在我給你的地址裡面，然後告訴我一聲就可以了。

AIO可以做到真正的非同步的操作，但實現起來比較複雜，支援純非同步IO的作業系統非常少，目前也就windows是IOCP技術實現了，而在Linux上，目前有很多開源的非同步IO庫，例如libevent、libev、libuv，但基本都不是純的非同步IO操作，底層還是是使用的epoll實現的。

圖示如下：

NIO與Netty

既然Java擁有了各種IO體系，那麼為什麼還會出現Netty這種框架呢？

Netty出現的主要原因，如下：

（1）Java NIO類庫和API繁雜眾多，使用麻煩。

（2）Java NIO封裝程度並不高，常常需要配合Java多執行緒程式設計來使用，這是因為NIO程式設計涉及到Reactor模式。

（3）Java NIO異常體系不完善，如客戶端面臨斷連，重連，網路閃斷，半包讀寫，網路阻塞，異常碼流等問題，雖然開發相對容易，但是可靠性和穩定性並不高。

（4）Java NIO本身的bug，修復較慢。

注意，真正的非同步非阻塞io，是需要作業系統層面支援的，在windows上通過IOCP實現了真正的非同步io，所以Java的AIO的非同步在windows平臺才算真正得到了支援，而在Linux系統中，仍然用的是epoll模式，所以在Linux層面上的AIO，並不是真正的或者純的非同步IO，這也是Netty裡面為什麼採用Java的NIO實現的，而並非是AIO，主要原因如下：

（1）AIO在linux上底層實現仍使用EPOLL，與NIO相同，因此在效能上沒有明顯的優勢

（2）Windows的AIO底層實現良好，但Netty的開發者並沒有把Windows作為主要使用平臺，所以優化考慮Linux

總結

本文主要介紹了Java裡面IO模型的演變和發展，這也是Java在服務端領域大放異彩的一個重要原因，瞭解這些知識之後，我們再去學習高效能的Netty框架，將會更加容易。