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JAVA IO、BIO、NIO、AIO及零拷贝

news 来源：原创 2025/8/7 0:42:47

概述

IO，常写作 I/O，是 Input/Output 的简称，是 Input/Output 的简称，即输入/输出。通常指数据在内部存储器（内存）和外部存储器（硬盘、优盘等）或其他周边设备之间的输入和输出。

目前有三种 IO 共存。分别是 BIO、NIO 和 AIO。

BIO 全称 Block-IO 是一种同步且阻塞的通信模式。是一个比较传统的通信方式，模式简单，使用方便。但并发处理能力低，通信耗时，依赖网速。

Java NIO，全程 Non-Block IO ，是 Java SE 1.4 版以后，针对网络传输效能优化的新功能。是一种非阻塞同步的通信模式

Java AIO，全称 Asynchronous IO，是异步非阻塞的 IO。是一种非阻塞异步的通信模式。在 NIO 的基础上引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。

IO 基本模型

IO的类型主要分为：BIO、NIO 和 AIO，其基本模型如下

阻塞 IO 模型

阻塞 IO 模型，最传统的一种 IO 模型，即在读写数据过程中会发生阻塞现象。

  • 当用户线程发出 IO 请求之后，内核会去查看数据是否就绪，
    • 如果没有就绪就会等待数据就绪，而用户线程就会处于阻塞状态，用 户线程交出 CPU。
    • 当数据就绪之后，内核会将数据拷贝到用户线程，并返回结果给用户线程，用 户线程才解除 block 状态。

典型的阻塞 IO 模型的例子为：如果数据没有就 绪，就会一直阻塞在 read 方法

data = socket.read();

非阻塞 IO 模型

非阻塞 IO 模型：当用户线程发起一个 read 操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。

  • 如果结果是一个 error 时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送 read 操作。
  • 一旦内核中的数据准备 好了，并且又再次收到了用户线程的请求，那么它马上就将数据拷贝到了用户线程，然后返回。
  • 所以事实上，在非阻塞 IO 模型中，用户线程需要不断地询问内核数据是否就绪，也就说非阻塞 IO 不会交出 CPU，而会一直占用 CPU。

典型的非阻塞 IO 模型一般如下： while 循环中需要不断地去询问内核数据是否就 绪，这样会导致 CPU 占用率非常高，因此一般情况下很少使用 while 循环这种方式来读取数据。

while(true){data = socket.read();if(data!= error){// 处理数据break;}
}

信号驱动 IO 模型

在信号驱动 IO 模型中，

  • 当用户线程发起一个 IO 请求操作，会给对应的 socket 注册一个信号函数，然后用户线程会继续执行，
  • 当内核数据就绪时会发送一个信号给用户线程，用户线程接收到信号之后，便在信号函数中调用 IO 读写操作来进行实际的 IO 请求操作。

异步 IO 模型

异步 IO 模型才是最理想的 IO 模型

在异步 IO 模型中，当用户线程发起 read 操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。

从内核的角度，

  • 当它收到一个 asynchronous read 之后， 它会立刻返回，说明 read 请求已经成功发起了，因此不会对用户线程产生任何 block
  • 内核会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户线程，
  • 当这一切都完成之后，内核会给用户线程 发送一个信号，告诉它 read 操作完成了

用户线程完全不需要实际的整个 IO 操作是如何进行的，只需要先发起一个请求，当接收内核返回的成功信号时表示 IO 操作已经完成，可以直接 去使用数据了

在异步 IO 模型中，IO 操作的两个阶段都不会阻塞用户线程，这两个阶段都是由内核自动完 成，然后发送一个信号告知用户线程操作已完成

  • 在信号驱动模型中，当用户线程接收到信号表示数据 已经就绪，然后需要用户线程调用 IO 函数进行实际的读写操作
  • 而在异步 IO 模型中，收到信号 表示 IO 操作已经完成，不需要再在用户线程中调用 IO 函数进行实际的读写操作。

注意：异步 IO 是需要操作系统的底层支持，在 Java 7 中，提供了 Asynchronous IO

BIO（Blocking I/O）

概述

以前大多数网络通信方式都是阻塞模式的，

  1. 客户端向服务器端发出请求后，客户端会一直等待(不会再做其他事情)，直到服务器端返回结果或者网络出现问题。
  2. 服务器端同样的，当在处理某个客户端A发来的请求时，另一个客户端B发来的请求会等待，直到服务器端的这个处理线程完成上一个处理。

特点

  • 同步阻塞：线程在读写数据时被阻塞，直到操作完成。
  • 一连接一线程：每个客户端连接需独立线程处理，高并发时资源消耗大。

缺点：线程数随连接数线性增长，易导致资源耗尽（如 C10K 问题）。

关键类/接口

核心包：java.io
同步阻塞模型，所有操作会阻塞线程直到完成。
适用场景：简单文件操作、低并发网络通信。

类别类/接口用途
字节流InputStream/OutputStream字节数据的读写（如文件、网络流）。
字符流Reader/Writer字符数据的读写（支持编码转换）。
文件操作FileInputStream/FileOutputStream文件读写。
网络通信Socket/ServerSocketTCP 客户端和服务端的阻塞式通信。
缓冲流BufferedReader/BufferedWriter提升 I/O 性能的缓冲包装类。

示例

（TCP 服务端）

// 传统 BIO 模型
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待连接new Thread(() -> {try {BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));String request = in.readLine(); // 阻塞读取数据System.out.println("Received: " +</

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