什么是AIO、BIO和NIO？

问题

什么是AIO、BIO和NIO？

答案

1. 核心概念

Java提供了三种主要的IO模型，它们在处理输入/输出操作时有着不同的阻塞特性和并发处理能力：

BIO（Blocking I/O）：同步阻塞IO，传统的IO模型
NIO（Non-blocking I/O）：同步非阻塞IO，Java 1.4引入
AIO（Asynchronous I/O）：异步非阻塞IO，Java 1.7引入，也称为NIO.2

2. 原理与特性对比

BIO - 同步阻塞IO

工作原理：

线程发起IO请求后会一直阻塞，直到数据准备完成并复制到用户空间
一个线程只能处理一个连接，高并发场景需要大量线程
适用于连接数较少、架构固定的场景

典型实现：

// 传统的Socket编程
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待连接
    // 为每个连接创建新线程
    new Thread(() -> {
        try {
            InputStream input = socket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = input.read(buffer); // 阻塞等待数据
            // 处理数据...
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
}

缺点：

每个连接需要独立线程，高并发时线程开销巨大
线程上下文切换成本高
资源浪费（线程大部分时间在等待）

NIO - 同步非阻塞IO

工作原理：

基于Reactor模式，使用多路复用器（Selector）监控多个通道（Channel）
线程轮询检查IO事件，数据准备好时才进行处理
一个线程可以管理多个连接，提高并发能力

核心组件：

Buffer（缓冲区）：数据容器，支持读写切换
Channel（通道）：双向数据传输管道
Selector（选择器）：单线程管理多个Channel的IO事件

典型实现：

// NIO的Selector模式
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false); // 设置非阻塞
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 注册接收事件

while (true) {
    selector.select(); // 阻塞直到有事件发生
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();

    while (iterator.hasNext()) {
        SelectionKey key = iterator.next();
        iterator.remove();

        if (key.isAcceptable()) {
            // 处理连接
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel client = server.accept();
            client.configureBlocking(false);
            client.register(selector, SelectionKey.OP_READ);
        } else if (key.isReadable()) {
            // 处理读取
            SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            client.read(buffer);
            // 处理数据...
        }
    }
}

优点：

单线程或少量线程处理大量连接
减少线程上下文切换
适合高并发、连接时间长但数据交互少的场景（如聊天服务器）

AIO - 异步非阻塞IO

工作原理：

基于Proactor模式，真正的异步IO
发起IO请求后立即返回，操作系统完成IO后回调通知应用程序
不需要轮询，完全由操作系统驱动

典型实现：

// AIO的异步回调模式
AsynchronousServerSocketChannel serverChannel =
    AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8080));

serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel client, Void attachment) {
        // 继续接受下一个连接
        serverChannel.accept(null, this);

        // 处理当前连接
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
            @Override
            public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                attachment.flip();
                // 处理数据...
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                // 处理异常...
            }
        });
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
        exc.printStackTrace();
    }
});

优点：

真正的异步，无需轮询
更高的并发性能
适合连接数多且数据量大的场景（如文件服务器）

3. 性能与场景对比

特性	BIO	NIO	AIO
阻塞方式	同步阻塞	同步非阻塞	异步非阻塞
并发处理	1线程:1连接	1线程:N连接	回调通知
编程复杂度	简单	较复杂	复杂
性能	低	高	最高
适用场景	连接数少、简单应用	高并发、长连接	超高并发、异步处理
典型应用	简单客户端-服务器	Netty、Tomcat NIO	文件异步操作

4. 实际应用考量

技术选型建议：

BIO：小型应用、快速原型开发、客户端工具
NIO：高并发服务器（Web服务器、RPC框架如Dubbo、Netty）
AIO：文件异步读写、数据库连接池（但在Linux上实际是模拟实现，性能提升有限）

重要提示：

Linux系统中的AIO：由于Linux对AIO支持不完善，底层往往通过epoll模拟，实际性能不一定优于NIO
Netty为何选择NIO：Netty主要使用NIO而非AIO，因为NIO在跨平台性、可控性和性能上更加成熟稳定
零拷贝优化：NIO支持Direct Buffer和FileChannel的transferTo/transferFrom，可实现零拷贝，大幅提升性能

5. 答题总结

面试回答要点：

三者定义：BIO同步阻塞、NIO同步非阻塞（多路复用）、AIO异步非阻塞（回调通知）
核心区别：线程模型不同——BIO一线程一连接、NIO一线程多连接、AIO事件驱动回调
适用场景：BIO适合小规模、NIO适合高并发长连接、AIO适合异步文件操作
实际应用：主流高性能框架（Netty、Tomcat）选择NIO，因其成熟度和跨平台性更好

通过理解底层的操作系统IO模型（阻塞/非阻塞、同步/异步）和并发设计模式（Reactor/Proactor），可以更深入地掌握Java IO体系的演进逻辑。