通过操作系统中的IO模型理解Java中的BIO,NIO,AIO

操作系统中的三种IO模型

阻塞I/O

先来看看阻塞 I/O，当用户程序执行 read，线程会被阻塞

一直等到内核数据准备好，并把数据从内核缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区中，当拷贝过程完成，read 才会返回

注意：阻塞等待的是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程

过程如下图：

非阻塞 I/O

知道了阻塞 I/O，来看看非阻塞 I/O，非阻塞的 read 请求在数据未准备好的情况下立即返回，可以继续下执行

此时应用程序不断轮询内核直到数据准备好

内核将数据拷贝到应用程序缓冲区，read 才可以获取到结果

过程如下图：

注意，这里最后一次 read 调用，获取数据的过程，是一个同步的过程，是需要等待的过程。这里的同步指的是内核态的数据拷贝到用户程序的缓存区这个过程

异步IO

举个例子，如果 socket 设置了 O_NONBLOCK 标志，那么就表示使用的是非阻塞 I/O 的方式访问，而不做任何设置的话，默认是阻塞 I/O。

因此，无论 read 和 send 是阻塞 I/O，还是非阻塞 I/O 都是同步调用

因为在 read 调用时，内核将数据从内核空间拷贝到用户空间的过程都是需要等待的，也就是说这个过程是同步的，如果内核实现的拷贝效率不高，read 调用就会在这个同步过程中等待比较长的时间.

真正的异步 I/O 是「内核数据准备好」和「数据从内核态拷贝到用户态」这两个过程都不用等待

当我们发起 aio_read（异步 I/O）之后，就立即返回，内核自动将数据从内核空间拷贝到用户空间

这个拷贝过程同样是异步的，内核自动完成的

和前面的同步操作不一样，应用程序并不需要主动发起拷贝动作

过程如下图：

理解IO的简单例子

举个你去饭堂吃饭的例子，你好比应用程序，饭堂好比操作系统

阻塞 I/O

你去饭堂吃饭，但是饭堂的菜还没做好，然后你就一直在那里等啊等，等了好长一段时间终于等到饭堂阿姨把菜端了出来（数据准备的过程），但是你还得继续等阿姨把菜（内核空间）打到你的饭盒里（用户空间），经历完这两个过程，你才可以离开。

非阻塞 I/O

你去了饭堂，问阿姨菜做好了没有，阿姨告诉你没，你就离开了，过几十分钟，你又来饭堂问阿姨，阿姨说做好了，于是阿姨帮你把菜打到你的饭盒里，这个过程你是得等待的

异步 I/O

你让饭堂阿姨将菜做好并把菜打到饭盒里后，把饭盒送到你面前，整个过程你都不需要任何等待。

很明显，异步 I/O 比同步 I/O 性能更好，因为异步 I/O 在「内核数据准备好」和「数据从内核空间拷贝到用户空间」这两个过程都不用等待。

BIO AIO NIO有什么区别

什么是IO

IO（Input/Output）是指输入/输出，用于描述计算机与外部设备（如文件、网络、键盘、显示器等）之间的数据交换过程。

计算机在运行过程中，需要与外部世界进行数据的输入和输出。例如，从文件中读取数据、将数据写入到网络传输中、从键盘接收用户的输入等都属于 IO 操作。

需要 IO 的主要原因是：

1. 数据持久化：将数据从内存写入到磁盘或其他存储介质中，实现数据的持久化和长期存储。
2. 数据交互：与外部设备进行数据的输入和输出，在计算机与用户、计算机与计算机之间传输数据。
3. 程序与外部设备的交互：程序需要和外部设备（如键盘、鼠标、显示器、网络等）进行交互，接收用户输入，展示输出结果。

IO 操作是计算机系统中的重要组成部分，它通过数据的输入和输出实现了与外部设备的交互和数据的持久化。在计算机软件开发和系统运行中，IO 是不可或缺的一部分

三个IO有什么区别

简单来说，BIO 就是传统 IO 包，它诞生的最早，但它是同步、阻塞的；

所以在 JDK 1.4 又有了 NIO， NIO 是对 BIO 的改进提供了多路复用的同步非阻塞 IO，而 AIO 是 NIO 的升级，提供了异步非阻塞 IO。

它们的具体区别如下：

• BIO（Blocking I/O）：同步阻塞 IO，传统的 java.io 包，它是基于流模型实现的，交互的方式是同步阻塞方式，也就是说在读入输入流或者输出流时，在读写动作完成之前线程会一直阻塞在那里， 它们之间的调用是可靠的线性顺序。它的优点是代码比较简单、直观；缺点是 IO 的效率和扩展性很低，容易成为应用性能瓶颈。
• NIO（Non-blocking I/O）：同步非阻塞 IO，Java 1.4 引入的 java.nio 包，提供了 Channel、Selector、Buffer 等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞 IO 程序，同时提供了更接近操作系统底层高性能的数据操作方式。
• AIO（Asynchronous I/O）：异步非阻塞 IO，Java 1.7 之后引入的包，是 NIO 的升级版本，异步 IO 是基于事件和回调机制实现的，也就是应用操作之后会直接返回，不会堵塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应的线程进行后续的操作。

所以，简单来说：BIO 是同步阻塞 IO；NIO 是同步非阻塞 IO；AIO 是异步非阻塞 IO

关键总结

BIO:每个连接对应一个线程，调用read()时线程被阻塞，直到数据就绪

NIO：基于多路复用（Selector）实现，通道（Channel）设置为非阻塞模式。单线程通过轮询Selector理多个连接的IO事件

AIO：使用回调或Future机制，IO操作完成后自动触发回调函数