對於BIO/NIO/AIO，你還只停留在燒開水的水平嗎？

1.發發牢騷

相信你們在網上看過很多講解 BIO/NIO/AIO 的文章，文章中舉起栗子來更是夯吃夯吃一大堆，我是越看越以爲 What are you 你講啥嘞？

本文將針對 BIO/NIO/AIO 、阻塞與非阻塞、同步與異步等特別容易混淆的概念進行對比區分，理清混亂的思路。

2.魔幻的IO模型

BIO (同步阻塞I/O)

數據的讀取寫入必須阻塞在一個線程內等待其完成。

這裏使用那個經典的燒開水例子，這裏假設一個燒開水的場景，有一排水壺在燒開水，BIO的工做模式就是， 叫一個線程停留在一個水壺那，直到這個水壺燒開，纔去處理下一個水壺。可是實際上線程在等待水壺燒開的時間段什麼都沒有作。

NIO（同步非阻塞）

同時支持阻塞與非阻塞模式，但這裏咱們以其同步非阻塞I/O模式來講明，那麼什麼叫作同步非阻塞？若是還拿燒開水來講，NIO的作法是叫一個線程不斷的輪詢每一個水壺的狀態，看看是否有水壺的狀態發生了改變，從而進行下一步的操做。

AIO （異步非阻塞I/O）

異步非阻塞與同步非阻塞的區別在哪裏？異步非阻塞無需一個線程去輪詢全部IO操做的狀態改變，在相應的狀態改變後，系統會通知對應的線程來處理。對應到燒開水中就是，爲每一個水壺上面裝了一個開關，水燒開以後，水壺會自動通知我水燒開了。

上面這些燒開水（或者服務員端菜）的例子百度一下至關多，但只能幫你理解些相關概念，使你知其然但不知其因此然，下面我會對概念進一步加深理解，並加以區分。

3.同步與異步的區別

同步和異步是針對應用程序和內核的交互而言的，同步指的是用戶進程觸發IO操做並等待或者輪詢的去查看IO操做是否就緒，而異步是指用戶進程觸發IO操做之後便開始作本身的事情，而當IO操做已經完成的時候會獲得IO完成的通知。

簡而言之，同步和異步最關鍵的區別在於同步必須等待（BIO）或者主動的去詢問（NIO）IO是否完成，而異步（AIO）操做提交後只需等待操做系統的通知便可。（思考一下：操做系統底層經過什麼去通知數據使用者？）

大型網站通常都會使用消息中間件進行解藕、異步、削峯，生產者將消息發送給消息中間件就返回，消息中間件將消息轉發到消費者進行消費，這種操做方式其實就是異步。

與之相比，什麼是同步？

生產者將消息發送到消息中間件，消息中間件將消息發送給消費者，消息者消費後返回響應給消息中間件，消息中間件返回響應給生產者，該過程由始至終都須要生產者進行參與，這就是同步操做。

（注：上面的舉例只用於理解BIO/NIO概念，不表明消息中間件的真實使用過程）

4.阻塞和非阻塞的區別

阻塞和非阻塞是針對於進程在訪問數據的時候，根據IO操做的就緒狀態來採起的不一樣方式，說白了是一種讀取或者寫入操做方法的實現方式，阻塞方式下讀取或者寫入函數將一直等待（BIO），而非阻塞方式下，讀取或者寫入方法會當即返回一個狀態值（NIO）。

BIO對應的Socket網絡編程代碼以下，其中server.accept()代碼會一直阻塞當前線程，直到有新的客戶端與之鏈接後，就建立一個新的線程進行處理，注意這裏是一次鏈接建立一個線程。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 8899;
        // 定義一個ServiceSocket監聽在端口8899上
        ServerSocket server = new ServerSocket(port);
        System.out.println("等待與客戶端創建鏈接...");
        while (true) {
            // server嘗試接收其餘Socket的鏈接請求，server的accept方法是阻塞式的
            Socket socket = server.accept();
            // 每接收到一個Socket就創建一個新的線程來處理它
            new Thread(new Task(socket)).start();
        }
        // server.close();
}

NIO的Socket網絡編程代碼以下圖（在網上找了半天），咱們只須要觀察NIO的關鍵兩個點：輪詢、IO多路複用。

找到while(true){}代碼就找到了輪詢的代碼，其中調用的 selector.select() 方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒，而後返回當前就緒的通道數，也就是非阻塞概念中提到的狀態值。

5.IO多路複用

咱們都據說過NIO具備IO多路複用，其實關鍵點就在於NIO建立一個鏈接後，是不須要建立對應的一個線程，這個鏈接會被註冊到多路複用器（Selector）上面，因此全部的鏈接只須要一個線程就能夠進行管理，當這個線程中的多路複用器進行輪詢的時候，發現鏈接上有請求數據的話，纔開啓一個線程進行處理，也就是一個有效請求一個線程模式。若是鏈接沒有數據，是沒有工做線程來處理的。

光講概念恐怕讀者很難聽的懂，因此我仍是以上面那張圖中的代碼講解。

在代碼中，main方法所在的主線程擁有多路複用器並開啓了一個主機端口進行通訊，全部的客戶端鏈接都會被註冊到主線程所在的多路複用器，經過輪詢while(true){}不斷檢測多路複用器上全部鏈接的狀態，這些狀態經過調用 SelectionKey.isAcceptable()、SelectionKey.isReadable() 等方法讀取。發現請求有效，就開啓一個線程進行處理，無效的請求，就不須要建立線程進行處理。

與BIO對比不難發現，這種方式相比BIO一次鏈接建立一個線程大大減小了線程的建立數量，性能豈能不提升。

6.AIO：異步非阻塞的編程方式

BIO/NIO都須要在調用讀寫方法後，要麼一直等待，要麼輪詢查看，直到有告終果再來執行後續代碼，這就是同步操做了。

而AIO則是真正的異步，當進行讀寫操做時，只須直接調用API的 read 或 write 方法便可。對於讀操做而言，當有流可讀取時，操做系統會將可讀的流傳入 read 方法的緩衝區，並通知應用程序；對於寫操做而言，當操做系統將 write 方法傳遞的流寫入完畢時，操做系統主動通知應用程序。你能夠理解爲，read/write 方法都是異步的，完成後會主動調用回調函數，這也就是同步與異步真正的區別了。

示例代碼：

public static void main(String[] args) {
   AsynchronousServerSocketChannel assc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
   assc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
   //非阻塞方法，註冊回調函數，只能接受一個鏈接
   assc.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {

     @Override
     public void completed(AsynchronousSocketChannel asc, Object attachment) {
     }

     @Override
     public void failed(Throwable exc, Object attachment) {  
     }
   });
}

（注：Java7後引入AIO ，但不一樣操做系統底層原理不一致，好比Linux的epoll， Window的iocp）

7.後續

文章講到這裏，其實只是開始。

現在，大名鼎鼎的IO多路複用你已經知道了What，但咱們依舊有着許多的Why不理解，Selector爲何能夠作到多路複用？selector.select() 方法的調用經歷了什麼？操做系統又在其中扮演着什麼樣的角色？AIO中操做系統是如何作到主動通知應用程序調用回調函數？...

對於這些問題，你是否喪失了深究下去的興趣？

【未完待續】