面试官：BIO、NIO、AIO之间有什么区别？

WilliamGates

发布于 2023-9-28 10:41

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一、简介

在计算机中，IO 传输数据有三种工作方式，分别是： BIO、NIO、AIO。

在讲解 BIO、NIO、AIO 之前，我们先来回顾一下这几个概念：同步与异步，阻塞与非阻塞。

同步与异步的区别

同步就是发起一个请求后，接受者未处理完请求之前，不返回结果。
异步就是发起一个请求后，立刻得到接受者的回应表示已接收到请求，但是接受者并没有处理完，接受者通常依靠事件回调等机制来通知请求者其处理结果。

阻塞和非阻塞的区别

阻塞就是请求者发起一个请求，一直等待其请求结果返回，也就是当前线程会被挂起，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续。
非阻塞就是请求者发起一个请求，不用一直等着结果返回，可以先去干其他事情，当条件就绪的时候，就自动回来。

而我们要讲的 BIO、NIO、AIO 就是同步与异步、阻塞与非阻塞的组合。

BIO：同步阻塞 IO；
NIO：同步非阻塞 IO；
AIO：异步非阻塞 IO;

不同的工作方式，带来的传输效率是不一样的，下面我们以网络 IO 为例，一起看看不同的工作方式下，彼此之间有何不同。

二、BIO

BIO 俗称同步阻塞 IO，是一种非常传统的 IO 模型，也是最常用的网络数据传输处理方式，优点就是编程简单，但是缺点也很明显，I/O 传输性能一般比较差，CPU 大部分处于空闲状态。

采用 BIO 通信模型的服务端，通常由一个独立的 Acceptor 线程负责监听所有客户端的连接，当服务端接受到多个客户端的请求时，所有的客户端只能排队等待服务端一个一个的处理。

BIO 通信模型图如下！

面试官：BIO、NIO、AIO之间有什么区别？-鸿蒙开发者社区

一般在服务端通过while(true)循环中会调用accept() 方法监听客户端的连接，一旦接收到一个连接请求，就可以建立通信套接字进行读写操作，此时不能再接收其他客户端连接请求，只能等待同当前连接的客户端的操作执行完成。

服务端操作，样例程序如下：

public class BioServerTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //初始化服务端socket并且绑定 8080 端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        //循环监听客户端请求
        while (true){
            try {
                //监听客户端请求
                Socket socket = serverSocket.accept();

                //将字节流转化成字符流，读取客户端输入的内容
                BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                //读取一行数据
                String str = bufferedReader.readLine();
                //打印客户端发送的信息
                System.out.println("服务端收到客户端发送的信息：" + str);

                //向客户端返回信息，将字符转化成字节流，并输出
                PrintWriter printWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()),true);
                printWriter.println("hello，我是服务端，已收到消息");

                // 关闭流
                bufferedReader.close();
                printWriter.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

客户端操作，样例程序如下：

public class BioClientTest {

    public static void main(String[] args){
        //创建10个线程，模拟10个客户端，同时向服务端发送请求
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int j = i;//定义变量
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run(){
                    try {
                        //通过IP和端口与服务端建立连接
                        Socket socket =new Socket("127.0.0.1",8080);
                        //将字符流转化成字节流，并输出
                        PrintWriter printWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()),true);
                        String str="Hello，我是" + j + "个，客户端!";
                        printWriter.println(str);

                        //从输入流中读取服务端返回的信息，将字节流转化成字符流
                        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                        //读取内容
                        String result = bufferedReader.readLine();
                        //打印服务端返回的信息
                        System.out.println("客户端发送请求内容：" + str + " -> 收到服务端返回的内容：" + result);

                        // 关闭流
                        bufferedReader.close();
                        printWriter.close();
                        // 关闭socket
                        socket.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

最后，依次启动服务端、客户端，看看控制台输出情况如何。

服务端控制台结果如下：

服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是8个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是9个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是7个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是5个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是4个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是3个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是6个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是2个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是1个，客户端!
服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是0个，客户端!

客户端控制台结果如下：

客户端发送请求内容：Hello，我是8个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是9个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是7个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是5个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是4个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是3个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是6个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是2个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是1个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息
客户端发送请求内容：Hello，我是0个，客户端! -> 收到服务端返回的内容：hello，我是服务端，已收到消息

随着客户端的请求次数越来越多，可能需要排队的时间会越来越长，因此是否可以在服务端，采用多线程编程进行处理呢？

答案是，可以的！

下面我们对服务端的代码进行改造，服务端多线程操作，样例程序如下：

public class BioServerTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //初始化服务端socket并且绑定 8080 端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        //循环监听客户端请求
        while (true){
            //监听客户端请求
            Socket socket = serverSocket.accept();
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run(){
                    try {
                        String threadName = Thread.currentThread().toString();
                        //将字节流转化成字符流，读取客户端输入的内容
                        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                        //读取一行数据
                        String str = bufferedReader.readLine();
                        //打印客户端发送的信息
                        System.out.println("线程名称" + threadName + "，服务端收到客户端发送的信息：" + str);

                        //向客户端返回信息，将字符转化成字节流，并输出
                        PrintWriter printWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()),true);
                        printWriter.println("hello，我是服务端，已收到消息");

                        // 关闭流
                        bufferedReader.close();
                        printWriter.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

依次启动服务端、客户端，服务端控制台输出结果如下：

线程名称Thread[Thread-8,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是4个，客户端!
线程名称Thread[Thread-4,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是8个，客户端!
线程名称Thread[Thread-0,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是1个，客户端!
线程名称Thread[Thread-7,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是5个，客户端!
线程名称Thread[Thread-5,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是2个，客户端!
线程名称Thread[Thread-9,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是3个，客户端!
线程名称Thread[Thread-1,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是0个，客户端!
线程名称Thread[Thread-3,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是7个，客户端!
线程名称Thread[Thread-2,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是9个，客户端!
线程名称Thread[Thread-6,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是6个，客户端!

当服务端接收到客户端的请求时，会给每个客户端创建一个新的线程进行链路处理，处理完成之后，通过输出流返回应答给客户端，最后线程会销毁。

但是这样的编程模型也有很大的弊端，如果出现 100、1000、甚至 10000 个客户端同时请求服务端，采用这种编程模型，服务端也会创建与之相同的线程数量，线程数急剧膨胀可能会导致线程堆栈溢出、创建新线程失败等问题，最终可能导致服务端宕机或者僵死，不能对外提供服务。

三、伪异步 BIO

为了解决上面提到的同步阻塞 I/O 面临的一个链路需要一个线程处理的问题，后来有人对它的编程模型进行了优化。

在服务端通过使用 Java 中ThreadPoolExecutor线程池机制来处理多个客户端的请求接入，防止由于海量并发接入导致资源耗尽，让线程的创建和回收成本相对较低，保证了系统有限的资源得以控制，实现了 N （客户端请求数量）大于 M （服务端处理客户端请求的线程数量）的伪异步 I/O 模型。

伪异步 IO 模型图，如下图：

面试官：BIO、NIO、AIO之间有什么区别？-鸿蒙开发者社区

采用线程池和任务队列可以实现一种叫做伪异步的 I/O 通信框架，当有新的客户端接入时，将客户端的 Socket 封装成一个 Task 投递到线程池中进行处理。

服务端采用线程池处理客户端请求，样例程序如下：

public class BioServerTest {

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        //在线程池中创建5个固定大小线程，来处理客户端的请求
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5);

        //初始化服务端socket并且绑定 8080 端口
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
        //循环监听客户端请求
        while (true){
            //监听客户端请求
            Socket socket = serverSocket.accept();
            //使用线程池执行任务
            executorService.execute(new Runnable() {

                @Override
                public void run(){
                    try {
                        String threadName = Thread.currentThread().toString();
                        //将字节流转化成字符流，读取客户端输入的内容
                        BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream()));
                        //读取一行数据
                        String str = bufferedReader.readLine();
                        //打印客户端发送的信息
                        System.out.println("线程名称" + threadName + "，服务端收到客户端发送的信息：" + str);

                        //向客户端返回信息，将字符转化成字节流，并输出
                        PrintWriter printWriter = new PrintWriter(new OutputStreamWriter(socket.getOutputStream()),true);
                        printWriter.println("hello，我是服务端，已收到消息");

                        // 关闭流
                        bufferedReader.close();
                        printWriter.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            });
        }
    }
}

依次启动服务端、客户端，服务端控制台输出结果如下：

线程名称Thread[pool-1-thread-4,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是6个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-2,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是8个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-3,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是9个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-5,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是5个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-1,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是7个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-5,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是2个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-5,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是0个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-1,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是1个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-5,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是3个，客户端!
线程名称Thread[pool-1-thread-1,5,main]，服务端收到客户端发送的信息：Hello，我是4个，客户端!

本例中测试的客户端数量是 10，服务端使用 java 线程池来处理任务，线程数量为 5 个，服务端不用为每个客户端都创建一个线程，由于线程池可以设置消息队列的大小和最大线程数，因此它的资源占用是可控的，无论多少个客户端并发访问，都不会导致资源的耗尽和宕机。

在活动连接数不是特别高的情况下，这种模型还是不错的，可以让每一个连接专注于自己的 I/O 并且编程模型简单，也不用过多考虑系统的过载、限流等问题。

但是，它的底层仍然是同步阻塞的 BIO 模型，当面对十万甚至百万级请求接入的时候，传统的 BIO 模型无能为力，因此我们需要一种更高效的 I/O 处理模型来应对更高的并发量。

文章转载自公众号：Java极客技术

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已于2023-9-28 10:41:57修改

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二、BIO

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