Java 中的NIO、BIO和AIO详细总结

Java IO 与 BIO、NIO

IO，常写作 I/O，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。

输入/输出是信息处理系统与外部世界之间的通信，输入是系统接收的信号或数据，输出则是从其发送的信号或数据。

在 Java 中，提供了一系列 API，可以供开发者来读写外部数据或文件。我们称这些 API 为 Java IO。

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。NIO 与原来的 I/O 有同样的作用和目的, 他们之间最重要的区别是数据打包和传输的方式。原来的 I/O 以流的方式处理数据，而 NIO 以块的方式处理数据。

面向流的 I/O 系统一次一个字节地处理数据。一个输入流产生一个字节的数据，一个输出流消费一个字节的数据。

面向块的 I/O 系统以块的形式处理数据。每一个操作都在一步中产生或者消费一个数据块。按块处理数据比按(流式的)字节处理数据要快得多。但是面向块的 I/O 缺少一些面向流的 I/O 所具有的优雅性和简单性。

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。

三种 IO 的区别

BIO （Blocking I/O）：同步阻塞 I/O 模式。

NIO （New I/O）：同步非阻塞模式。

AIO （Asynchronous I/O）：异步非阻塞 I/O 模型。

同步阻塞模式：这种模式下，我们的工作模式是先来到厨房，开始烧水，并坐在水壶面前一直等着水烧开。

同步非阻塞模式：这种模式下，我们的工作模式是先来到厨房，开始烧水，但是我们不一直坐在水壶前面等，而是回到客厅看电视，然后每隔几分钟到厨房看一下水有没有烧开。

异步非阻塞 I/O 模型：这种模式下，我们的工作模式是先来到厨房，开始烧水，我们不一直坐在水壶前面等，也不隔一段时间去看一下，而是在客厅看电视，水壶上面有个开关，水烧开之后他会通知我。

**阻塞 VS 非阻塞：**人是否坐在水壶前面一直等。

同步 VS 异步：水壶是不是在水烧开之后主动通知人。

使用方式

使用 BIO 实现文件的读取和写入

java 复制代码

public class BioFileDemo {
    public static void main(String[] args) {
        BioFileDemo demo = new BioFileDemo();
        demo.writeFile();
        demo.readFile();
    }

    // 使用 BIO 写入文件
    public void writeFile() {
        String filename = "logs/itwanger/paicoding.txt";
        try {
            FileWriter fileWriter = new FileWriter(filename);
            BufferedWriter bufferedWriter = new BufferedWriter(fileWriter);

            bufferedWriter.write("学编程就上技术派");
            bufferedWriter.newLine();

            System.out.println("写入完成");
            bufferedWriter.close();
            fileWriter.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 使用 BIO 读取文件
    public void readFile() {
        String filename = "logs/itwanger/paicoding.txt";
        try {
            FileReader fileReader = new FileReader(filename);
            BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(fileReader);

            String line;
            while ((line = bufferedReader.readLine()) != null) {
                System.out.println("读取的内容: " + line);
            }

            bufferedReader.close();
            fileReader.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这个示例展示了如何使用 Java 中的传统阻塞 I/O（BIO）对文件进行读写操作。在 writeFile() 方法中，我们首先创建一个 FileWriter 对象，并使用 BufferedWriter 进行缓冲写入。接着，使用 bufferedWriter.write() 方法将字符串写入文件，然后调用 bufferedWriter.newLine() 方法添加换行符。最后，关闭 BufferedWriter 和 FileWriter。在 readFile() 方法中，我们创建一个 FileReader 对象，并使用 BufferedReader 进行缓冲读取。然后通过调用 bufferedReader.readLine() 方法循环读取文件内容，直到返回 null 表示读取完毕。最后，关闭 BufferedReader 和 FileReader。

NIO 的使用

java 复制代码

public class NioFileDemo {
    public static void main(String[] args) {
        NioFileDemo demo = new NioFileDemo();
        demo.writeFile();
        demo.readFile();
    }

    // 使用 NIO 写入文件
    public void writeFile() {
        Path path = Paths.get("logs/itwanger/paicoding.txt");
        try {
            FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, EnumSet.of(StandardOpenOption.CREATE, StandardOpenOption.WRITE));

            ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("学编程就上技术派");
            fileChannel.write(buffer);

            System.out.println("写入完成");
            fileChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 使用 NIO 读取文件
    public void readFile() {
        Path path = Paths.get("logs/itwanger/paicoding.txt");
        try {
            FileChannel fileChannel = FileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            int bytesRead = fileChannel.read(buffer);
            while (bytesRead != -1) {
                buffer.flip();
                System.out.println("读取的内容: " + StandardCharsets.UTF_8.decode(buffer));
                buffer.clear();
                bytesRead = fileChannel.read(buffer);
            }

            fileChannel.close();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这个示例演示了如何使用 NIO 的FileChannel 对文件进行读写操作。在 writeFile() 方法中，我们首先打开文件通道并指定创建和写入选项。接着，将要写入的字符串转换为 ByteBuffer，然后使用 fileChannel.write() 方法将其写入文件。在 readFile() 方法中，我们打开文件通道并指定读取选项，然后创建一个 ByteBuffer 用于存储读取到的数据。使用 fileChannel.read() 方法循环读取文件内容，直到返回 -1 表示读取完毕。在循环中，我们翻转缓冲区，将其解码为字符串并打印，然后清空缓冲区以进行下一次读取。最后，关闭文件通道。

使用 AIO 实现文件的读取和写入

java 复制代码

public class AioDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AioDemo demo = new AioDemo();
        demo.writeFile();
        demo.readFile();
    }

    // 使用 AsynchronousFileChannel 写入文件
    public void writeFile() {
        // 使用 Paths.get() 获取文件路径
        Path path = Paths.get("logs/itwanger/paicoding.txt");
        try {
            // 用 AsynchronousFileChannel.open() 打开文件通道，指定写入和创建文件的选项。
            AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(path, StandardOpenOption.WRITE, StandardOpenOption.CREATE);

            // 将要写入的字符串（"学编程就上技术派"）转换为 ByteBuffer。
            ByteBuffer buffer = StandardCharsets.UTF_8.encode("学编程就上技术派");
            // 调用 fileChannel.write() 方法将 ByteBuffer 中的内容写入文件。这是一个异步操作，因此需要使用 Future 对象等待写入操作完成。
            Future<Integer> result = fileChannel.write(buffer, 0);
            // 等待写操作完成
            result.get();

            System.out.println("写入完成");
            fileChannel.close();
        } catch (IOException | InterruptedException | java.util.concurrent.ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 使用 AsynchronousFileChannel 读取文件
    public void readFile() {
        Path path = Paths.get("logs/itwanger/paicoding.txt");
        try {
            // 指定读取文件的选项。
            AsynchronousFileChannel fileChannel = AsynchronousFileChannel.open(path, StandardOpenOption.READ);
            // 创建一个 ByteBuffer，用于存储从文件中读取的数据。
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);

            // 调用 fileChannel.read() 方法从文件中异步读取数据。该方法接受一个 CompletionHandler 对象，用于处理异步操作完成后的回调。
            fileChannel.read(buffer, 0, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
                @Override
                public void completed(Integer result, ByteBuffer attachment) {
                    // 在 CompletionHandler 的 completed() 方法中，翻转 ByteBuffer（attachment.flip()），然后使用 Charset.forName("UTF-8").decode() 将其解码为字符串并打印。最后，清空缓冲区并关闭文件通道。
                    attachment.flip();
                    System.out.println("读取的内容: " + StandardCharsets.UTF_8.decode(attachment));
                    attachment.clear();
                    try {
                        fileChannel.close();
                    } catch (IOException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

                @Override
                public void failed(Throwable exc, ByteBuffer attachment) {
                    // 如果异步读取操作失败，CompletionHandler 的 failed() 方法将被调用，打印错误信息。
                    System.out.println("读取失败");
                    exc.printStackTrace();
                }
            });

            // 等待异步操作完成
            Thread.sleep(1000);

        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

这段代码展示了一个名为 AioDemo 的类，包含两个方法：writeFile() 和 readFile()。这两个方法分别使用 AsynchronousFileChannel 对文件进行异步写入和读取操作。代码的具体含义我都加到注释当中了，注意查看。

小结

BIO（Blocking I/O）：采用阻塞式 I/O 模型，线程在执行 I/O 操作时被阻塞，无法处理其他任务，适用于连接数较少且稳定的场景。

NIO（New I/O 或 Non-blocking I/O）：使用非阻塞 I/O 模型，线程在等待 I/O 时可执行其他任务，通过 Selector 监控多个 Channel 上的事件，提高性能和可伸缩性，适用于高并发场景。

AIO（Asynchronous I/O）：采用异步 I/O 模型，线程发起 I/O 请求后立即返回，当 I/O 操作完成时通过回调函数通知线程，进一步提高了并发处理能力，适用于高吞吐量场景。