前言
Java 中有 3 种主要的 I/O 模型:同步阻塞 I/O(BIO)、同步非阻塞 I/O(NIO)和异步非阻塞 I/O(AIO),除了这 3 种主要的 I/O 模型,还有多路复用 I/O 模型和信号驱动模型。它们的区别主要在于处理 I/O 操作时线程的行为方式,以及应用程序对于 I/O 完成时的处理方式。
I/O 模型介绍
I/O 模型的简介
同步阻塞 I/O 模型(Blocking I/O,简称阻塞 I/O)是 Java 最早引入的模型之一,它的特点是在执行 I/O 操作时会阻塞当前线程,直到 I/O 操作完成才会继续执行后续代码。在同步阻塞 I/O 模型中,当一个线程调用读取操作时,如果没有数据可读,线程将一直阻塞在读取操作上,直到有数据到达为止。同样,当一个线程调用写入操作时,如果写缓冲区已满,线程将一直阻塞在写入操作上,直到有空间可用为止。同步阻塞 I/O 模型的优点是简单易用,但其缺点是效率较低,不适用高并发场景,因为线程在等待 I/O 操作完成时会被阻塞,无法处理其他任务。
同步非阻塞 I/O 模型(Non-blocking I/O,简称非阻塞 I/O)是对同步阻塞 I/O 模型(BIO)的改进,从 Java 1.4 开始支持。在同步非阻塞 I/O 模型中,当一个线程调用读取操作时,如果没有数据可读,线程不会被阻塞,而是立即返回一个错误码或空值。同样,当一个线程调用写入操作时,如果写缓冲区已满,线程也不会被阻塞,而是立即返回一个错误码。通过不断地轮询 I/O 操作的状态,同步非阻塞 I/O 模型可以实现在等待 I/O 操作完成的同时处理其他任务。同步非阻塞 I/O 模型的优点是能够提高系统的并发性能,但其缺点是需要频繁地轮询 I/O 操作的状态,会造成 CPU 资源的浪费,而且实现相对复杂,需要一定的编程技巧。这种模型适用于需要处理多个连接但每个连接比较短(轻操作)的场景,如实时通讯系统、聊天服务器等。
多路复用 I/O 模型(Multiplexing I/O)可以实现同时监控多个 I/O 操作的状态。Java 中的多路复用 I/O 一般是建立在同步非阻塞 I/O 模型(NIO)基础之上实现的,比如 Netty 网络编程框架。在多路复用 I/O 模型中,一个线程可以同时监听多个 I/O 操作的状态,当某个 I/O 操作就绪时,线程可以进行相应的读取或写入操作。通过这种方式,多路复用 I/O 模型可以在一个线程中处理多个 I/O 操作,提高系统的并发性能。多路复用 I/O 模型的优点是能够有效地减少线程的数量,降低系统资源的消耗,但其缺点是实现复杂度较高,需要一定的编程技巧。
异步非阻塞 I/O 模型(Asynchronous I/O,简称异步 I/O)是最高级别的 I/O 模型之一,性能和吞吐量最高,从 Java 1.7 开始支持。它通过将 I/O 操作的结果通知给应用程序,来实现非阻塞的 I/O 操作。在异步非阻塞 I/O 模型中,应用程序发起一个 I/O 操作后,不需要等待操作完成,而是可以继续执行其他任务。当 I/O 操作完成后,操作系统会通知应用程序,应用程序再进行相应的处理。异步非阻塞 I/O 模型的优点是能够充分利用系统资源,提高系统的并发性能,但其缺点是需要操作系统的支持,在某些操作系统(如 Windows)上的支持不如 NIO 成熟,对于编程人员来说,实现相对复杂。这种模型适用于需要处理多个连接且每个连接比较长(重操作),并且要求高性能、高并发的场景,例如高性能服务器、流媒体服务器等。