核心思想：一句话总结

• BIO (Blocking I/O)：同步阻塞，一个线程发起一个 I/O 操作（如读或写），如果数据还没准备好，这个线程就必须阻塞等待，直到数据准备好并完成 I/O 操作。
• NIO (New I/O)：同步非阻塞，一个线程发起一个 I/O 操作，如果数据还没准备好，这个线程不会阻塞，而是可以去干别的事情，它会定期去“轮询”数据是否准备好，当数据准备好后，线程再去进行 I/O 操作，这个操作本身是阻塞的。

核心概念与模型对比

详细对比分析

I/O 模型：阻塞 vs. 非阻塞

这是两者最根本的区别。

• BIO (阻塞)

  • 工作方式：当一个线程调用 InputStream.read() 或 OutputStream.write() 时，该线程会被挂起（阻塞），直到数据从网络或磁盘读取到缓冲区，或者数据从缓冲区写入成功。
  • 缺点：在等待 I/O 的这段时间里，CPU 资源被浪费了，线程什么也做不了，如果连接数很多，就需要创建大量的线程，每个线程都可能在阻塞，这会急剧消耗系统资源（内存、CPU 上下文切换），导致性能急剧下降，甚至系统崩溃，这就是所谓的 C10K 问题（如何同时处理 1 万个客户端连接）。

  // BIO 伪代码
  Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞，等待客户端连接
  InputStream in = socket.getInputStream();
  byte[] buffer = new byte[1024];
  int len = in.read(buffer); // 阻塞，等待数据读取
  // ... 处理数据

  在服务器端,通常会为每个客户端连接创建一个新的线程来处理，像这样：

  while (true) {
      Socket clientSocket = serverSocket.accept(); // 阻塞
      new Thread(() -> {
          handleClient(clientSocket); // 在新线程中处理
      }).start();
  }

• NIO (非阻塞)

  • 工作方式：线程发起一个 I/O 操作（如 channel.read(buffer)），如果数据还没准备好，这个方法会立即返回一个 0 或表示“尚未准备好”的值，线程不会被阻塞，线程可以去执行其他任务。
  • 轮询机制：线程需要不断地去“询问” Channel 数据是否准备好，这个“询问”的过程就是 轮询，当轮询到某个 Channel 的数据准备好了，线程再去执行真正的读写操作，这个读写操作本身是阻塞的，但由于准备阶段是非阻塞的，整体效率大大提高。
  • 优点：一个线程可以同时处理多个 Channel 的 I/O 操作，极大地减少了线程数量，降低了系统开销，提高了系统的吞吐量和并发能力。

  // NIO 伪代码
  Selector selector = Selector.open();
  channel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式
  channel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 注册感兴趣的事件
  while (true) {
      selector.select(); // 阻塞，等待至少一个 Channel 的事件就绪
      Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
      Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
      while (iter.hasNext()) {
          SelectionKey key = iter.next();
          if (key.isReadable()) {
              SocketChannel channel = (SocketChannel) key.channel();
              ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
              int len = channel.read(buffer); // 如果数据未准备好，会立即返回 0
              if (len > 0) {
                  // ... 处理数据
              }
          }
          iter.remove();
      }
  }

通信单位：流 vs. 缓冲区

• BIO (流)

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 特点：I/O 是面向流的，你可以想象一个水管，数据像水流一样，只能从一端流向另一端，它没有缓冲区，不能随意地前后移动数据，每次读取都是从流的当前位置开始。
  • API：InputStream, OutputStream。

• NIO (缓冲区)

  • 特点：I/O 是面向缓冲区的，数据被读入一个 ByteBuffer 对象中，缓冲区是一个可以双向移动的内存块，你可以像操作数组一样操作它，可以设置 position 和 limit 来控制读写位置，这使得数据操作更加灵活和高效。
  • API：ByteBuffer, CharBuffer 等。

多路复用：无 vs. Selector

这是 NIO 能够实现“一个线程处理多个连接”的关键。

• BIO (无)

  每个 Socket 连接都需要一个独立的线程来管理和监听，无法复用，线程和连接是 1:1 的关系。

• NIO (Selector)

  • Selector（选择器）是 NIO 的核心，它像一个“多路开关”，可以同时监听多个 Channel 的 I/O 事件（如连接、读、写）。
  • 工作流程：
    1. 将多个非阻塞的 Channel 注册到同一个 Selector 上，并告诉 Selector 我们关心哪些事件（如 SelectionKey.OP_READ）。
    2. 调用 Selector.select() 方法，这个方法会阻塞，直到至少一个注册的 Channel 产生了我们关心的事件。
    3. 当 select() 返回后，我们可以通过 Selector.selectedKeys() 获取所有发生了事件的 SelectionKey 集合。
    4. 遍历这些 SelectionKey，对每个事件进行处理（如从对应的 Channel 读取数据）。
  • 效果：通过 Selector，一个线程就可以高效地管理成百上千个连接，完美解决了 BIO 的线程瓶颈问题。

一个生动的比喻

• BIO (餐厅服务)

  • 一个服务员（线程）只服务一桌客人（连接）。
  • 当客人点菜后,服务员就去厨房等，直到菜做好（阻塞），然后端回来，这期间，这桌客人占用着这位服务员，不能服务其他客人。
  • 如果餐厅有 100 桌客人，就需要 100 个服务员，成本极高。

• NIO (餐厅服务)

  • 一个服务员（线程）服务所有客人（连接）。
  • 服务员会巡视所有桌子（轮询 Selector）。
  • A 桌客人点菜了，服务员就记下“A桌要等菜”，然后去 B 桌问需求。
  • 服务员不断巡视,直到发现 A 桌的菜好了（事件就绪），就去端菜。
  • 这样,一个服务员就能高效地管理所有桌子，大大提高了服务效率。

优缺点总结

适用场景

• 选择 BIO 的场景：

  • 连接数少且固定的应用，与硬件设备、数据库的连接。
  • 对性能要求不高，开发速度优先的场景。
  • 简单的命令行工具或桌面应用。

• 选择 NIO 的场景：

  • 高并发的网络服务器，Web 服务器、RPC 框架、聊天室、游戏服务器等。
  • 需要同时处理成千上万个客户端连接的应用。
  • 对性能和资源利用率有极高要求的应用。

演进：AIO (Asynchronous I/O)

为了进一步简化编程并提升性能,Java 7 引入了 AIO（Asynchronous I/O），也叫 NIO.2。

• 模型：异步非阻塞。
• 核心思想：当你发起一个 I/O 操作后，你可以立即去做别的事情，当 I/O 操作完成时，系统会通过回调或Future机制通知你。
• 对比 NIO：NIO 是“我主动去问数据好了没”（同步非阻塞），AIO 是“数据好了你告诉我”（异步非阻塞），AIO 的编程模型更接近人的思维，代码更简洁，但底层实现更复杂。
• 适用场景：AIO 主要用于I/O 密集型且延迟敏感的场景，如文件操作和高速网络通信，在 Linux 系统上，AIO 的实现依赖于 epoll，其性能在某些场景下可能不如 NIO，NIO 依然是构建高性能网络服务的主流选择。

对于 Java 深刻理解 BIO 和 NIO 的区别是迈向高性能编程的必经之路，在开发网络应用时，应根据业务场景的并发需求来选择合适的 I/O 模型。