【从零开始学习IO机制 | 第一篇】I/O的演进之路

前言：

自诞生以来，Java 一直是软件开发领域的重要一环。作为一种广泛应用于各种应用程序和系统的编程语言，Java 一直致力于提供高效、可靠的 I/O（输入/输出）操作，以满足不断增长的软件需求和用户期望。

Java I/O（Input/Output）是 Java 编程中至关重要的一部分，负责处理与外部世界的数据交换。从最早的基于流的处理方式到后来的 NIO（New I/O）和 NIO.2，Java I/O 在过去几十年间经历了令人瞩目的演进和创新。

在这篇文章中，我们将探索 Java I/O 的演进之路，从早期的基本概念和传统方法开始，一直到如今的高性能、异步处理技术。我们将深入了解每个阶段的重要里程碑和关键技术，以及它们对 Java 编程和软件开发的影响。

前言：

I/O模型

BIO：

BIO特点：

NIO：

NIO特点：

AIO：

三种IO模式的使用场景：

总结：

I/O模型

简单来说：I/O模型就是选用是什么样的通道或者通信模式和架构来进行数据的传输和接收，他在很大程度上决定了程序通信的性能。

Java一共支持三种网络编程的I/O模型：BIO,NIO,BIO

BIO：

BIO（Blocking I/O，阻塞式I/O）是 Java 中最早的 I/O 模型之一，也是最简单和最直观的一种模型。在 BIO 模型中，I/O 操作是同步阻塞的，意味着当一个线程执行一个 I/O 操作时，它将被阻塞直到该操作完成。

在 BIO 模型中，通常通过 InputStream 和 OutputStream 来进行数据的读取和写入。例如，使用 FileInputStream 读取文件，或者使用 SocketInputStream 读取网络套接字的数据。当调用这些输入流的读取方法时，如果没有数据可读，线程将被阻塞，直到数据可用为止。

我们来看一看BIO模式图：

在BIO的模式下，我们每有一个客户端，服务端就需要创建一个线程来读写当前客户端的IO需求。如此在大量的客户端下，服务端就需要创建更多的线程。

BIO特点：

阻塞等待：在进行 I/O 操作时会阻塞当前线程，直到数据准备就绪或者超时。
同步执行：程序会按照顺序执行，直到遇到 I/O 操作，然后等待 I/O 完成后再继续执行后续代码。
资源消耗较大：可能需要创建大量线程来处理连接或请求，导致资源消耗较大。

NIO：

NIO（Non-blocking I/O）是 Java 中的一种 I/O 模型，它提供了一种更为灵活和高效的 I/O 处理方式，相比传统的阻塞 I/O，NIO的服务器实现模式为一个线程处理多个请求，即客户端发送的连接请求都会注册到多路复用器上，多路复用器轮询到连接有I/O请求就进行处理。

我们来看一看NIO的模式图

NIO特点：

非阻塞 I/O：NIO 的核心特性是非阻塞 I/O，它允许一个线程同时管理多个连接，而不会因为某个连接的 I/O 操作而阻塞整个线程。这使得在高并发的情况下，可以用较少的线程处理大量的连接，提高系统的资源利用率和并发能力。
通道（Channel）和缓冲区（Buffer）：NIO 提供了 Channel 和 Buffer 两个主要的抽象概念。Channel 类似于传统 I/O 中的流（Stream），但更为灵活，可以支持双向的数据传输；而 Buffer 是数据的缓冲区，所有数据都通过 Buffer 进行传输。
选择器（Selector）：选择器是 NIO 的核心组件之一，它是一个可以检查多个通道是否有事件发生的对象。通过选择器，一个线程可以同时监听多个通道的 I/O 事件，当某个通道上的事件发生时，可以立即得到通知，而不需要轮询每个通道。
事件驱动：NIO 是基于事件驱动的模型，当某个 I/O 事件发生时，例如连接建立、数据可读等，会触发相应的事件通知，从而让程序能够及时响应。
多路复用：NIO 使用了多路复用的技术，通过选择器同时监听多个通道的事件，从而实现在单线程中管理多个连接的能力。

AIO：

AIO（Asynchronous I/O）是一种异步 I/O 模型，也称为 NIO 2.0，在 Java 中引入了对异步 I/O 操作的支持。相比于传统的阻塞 I/O 和 NIO 的非阻塞 I/O，AIO 提供了更为高级和灵活的异步 I/O 操作方式。

三种IO模式的使用场景：

BIO（Blocking I/O，阻塞式I/O）：
- 使用场景：BIO 适用于连接数量较少且并发要求不高的场景。例如，传统的网络编程中，当连接数量可预期且不会很多时，可以使用 BIO。
- 典型应用：单线程服务器、简单的网络通信应用、文件系统操作等。
NIO（Non-blocking I/O，非阻塞式I/O）：
- 使用场景：NIO 适用于需要处理大量连接的高并发场景，如网络服务器、实时通信系统等。它通过单线程处理多个连接，提高了系统的并发处理能力。
- 典型应用：高性能网络服务器、实时消息传输系统、大规模文件操作等。
AIO（Asynchronous I/O，异步I/O）：
- 使用场景：AIO 适用于需要处理大量并发连接，并且对性能和资源利用率有较高要求的场景。它可以在 I/O 操作完成前不阻塞线程，从而提高系统的吞吐量和响应性能。
- 典型应用：高性能网络服务器、大规模文件复制和处理、实时数据采集和处理等。