1.發發牢騷

相信大家在網上看過不少講解 BIO/NIO/AIO 的文章，文章中舉起栗子來更是夯吃夯吃一大堆，我是越看越覺得 What are you 你講啥嘞？

本文將針對 BIO/NIO/AIO 、阻塞與非阻塞、同步與非同步等特別容易混淆的概念進行對比區分，理清混亂的思路。

2.魔幻的IO模型

BIO (同步阻塞I/O)

資料的讀取寫入必須阻塞在一個執行緒內等待其完成。

這裡使用那個經典的燒開水例子，這裡假設一個燒開水的場景，有一排水壺在燒開水，BIO的工作模式就是， 叫一個執行緒停留在一個水壺那，直到這個水壺燒開，才去處理下一個水壺。但是實際上執行緒在等待水壺燒開的時間段什麼都沒有做。

NIO（同步非阻塞）

同時支援阻塞與非阻塞模式，但這裡我們以其同步非阻塞I/O模式來說明，那麼什麼叫做同步非阻塞？如果還拿燒開水來說，NIO的做法是叫一個執行緒不斷的輪詢每個水壺的狀態，看看是否有水壺的狀態發生了改變，從而進行下一步的操作。

AIO （非同步非阻塞I/O）

非同步非阻塞與同步非阻塞的區別在哪裡？非同步非阻塞無需一個執行緒去輪詢所有IO操作的狀態改變，在相應的狀態改變後，系統會通知對應的執行緒來處理。對應到燒開水中就是，為每個水壺上面裝了一個開關，水燒開之後，水壺會自動通知我水燒開了。

上面這些燒開水（或者服務員端菜）的例子百度一下相當多，但只能幫你理解些相關概念，使你知其然但不知其所以然，下面我會對概念進一步加深理解，並加以區分。

3.同步與非同步的區別

同步和非同步是針對應用程式和核心的互動而言的，同步指的是使用者程序觸發IO操作並等待或者輪詢的去檢視IO操作是否就緒，而非同步是指使用者程序觸發IO操作以後便開始做自己的事情，而當IO操作已經完成的時候會得到IO完成的通知。

簡而言之，同步和非同步最關鍵的區別在於同步必須等待（BIO）或者主動的去詢問（NIO）IO是否完成，而非同步（AIO）操作提交後只需等待作業系統的通知即可。（思考一下：作業系統底層通過什麼去通知資料使用者？）

大型網站一般都會使用訊息中介軟體進行解藕、非同步、削峰，生產者將訊息傳送給訊息中介軟體就返回，訊息中介軟體將訊息轉發到消費者進行消費，這種操作方式其實就是非同步。

與之相比，什麼是同步？

生產者將訊息傳送到訊息中介軟體，訊息中介軟體將訊息傳送給消費者，訊息者消費後返回響應給訊息中介軟體，訊息中介軟體返回響應給生產者，該過程由始至終都需要生產者進行參與，這就是同步操作。

（注：上面的舉例只用於理解BIO/NIO概念，不代表訊息中介軟體的真實使用過程）

4.阻塞和非阻塞的區別

阻塞和非阻塞是針對於程序在訪問資料的時候，根據IO操作的就緒狀態來採取的不同方式，說白了是一種讀取或者寫入操作方法的實現方式，阻塞方式下讀取或者寫入函式將一直等待（BIO），而非阻塞方式下，讀取或者寫入方法會立即返回一個狀態值（NIO）。

BIO對應的Socket網路程式設計程式碼如下，其中server.accept()程式碼會一直阻塞當前執行緒，直到有新的客戶端與之連線後，就建立一個新的執行緒進行處理，注意這裡是一次連線建立一個執行緒。

public static void main(String[] args) throws IOException {
        int port = 8899;
        // 定義一個ServiceSocket監聽在埠8899上
        ServerSocket server = new ServerSocket(port);
        System.out.println("等待與客戶端建立連線...");
        while (true) {
            // server嘗試接收其他Socket的連線請求，server的accept方法是阻塞式的
            Socket socket = server.accept();
            // 每接收到一個Socket就建立一個新的執行緒來處理它
            new Thread(new Task(socket)).start();
        }
        // server.close();
}

NIO的Socket網路程式設計程式碼如下圖（在網上找了半天），我們只需要觀察NIO的關鍵兩個點：輪詢、IO多路複用。

找到while(true){}程式碼就找到了輪詢的程式碼，其中呼叫的 selector.select() 方法會一直阻塞到某個註冊的通道有事件就緒，然後返回當前就緒的通道數，也就是非阻塞概念中提到的狀態值。

5.IO多路複用

我們都聽說過NIO具有IO多路複用，其實關鍵點就在於NIO建立一個連線後，是不需要建立對應的一個執行緒，這個連線會被註冊到多路複用器（Selector）上面，所以所有的連線只需要一個執行緒就可以進行管理，當這個執行緒中的多路複用器進行輪詢的時候，發現連線上有請求資料的話，才開啟一個執行緒進行處理，也就是一個有效請求一個執行緒模式。如果連線沒有資料，是沒有工作執行緒來處理的。

光講概念恐怕讀者很難聽的懂，所以我還是以上面那張圖中的程式碼講解。

在程式碼中，main方法所在的主執行緒擁有多路複用器並開啟了一個主機埠進行通訊，所有的客戶端連線都會被註冊到主執行緒所在的多路複用器，通過輪詢while(true){}不斷檢測多路複用器上所有連線的狀態，這些狀態通過呼叫 SelectionKey.isAcceptable()、SelectionKey.isReadable() 等方法讀取。發現請求有效，就開啟一個執行緒進行處理，無效的請求，就不需要建立執行緒進行處理。

與BIO對比不難發現，這種方式相比BIO一次連線建立一個執行緒大大減少了執行緒的建立數量，效能豈能不提高。

6.AIO：非同步非阻塞的程式設計方式

BIO/NIO都需要在呼叫讀寫方法後，要麼一直等待，要麼輪詢檢視，直到有了結果再來執行後續程式碼，這就是同步操作了。

而AIO則是真正的非同步，當進行讀寫操作時，只須直接呼叫API的 read 或 write 方法即可。對於讀操作而言，當有流可讀取時，作業系統會將可讀的流傳入 read 方法的緩衝區，並通知應用程式；對於寫操作而言，當作業系統將 write 方法傳遞的流寫入完畢時，作業系統主動通知應用程式。你可以理解為，read/write 方法都是非同步的，完成後會主動呼叫回撥函式，這也就是同步與非同步真正的區別了。

示例程式碼：

public static void main(String[] args) {
   AsynchronousServerSocketChannel assc = AsynchronousServerSocketChannel.open();
   assc.bind(new InetSocketAddress("localhost", 8080));
   //非阻塞方法，註冊回撥函式，只能接受一個連線
   assc.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Object>() {

     @Override
     public void completed(AsynchronousSocketChannel asc, Object attachment) {
     }

     @Override
     public void failed(Throwable exc, Object attachment) {  
     }
   });
}

（注：Java7後引入AIO ，但不同作業系統底層原理不一致，比如Linux的epoll， Window的iocp）

7.後續

文章講到這裡，其實只是開始。

如今，大名鼎鼎的IO多路複用你已經知道了What，但我們依舊有著許多的Why不理解，Selector為什麼可以做到多路複用？selector.select() 方法的呼叫經歷了什麼？作業系統又在其中扮演著什麼樣的角色？AIO中作業系統是如何做到主動通知應用程式呼叫回撥函式？...

對於這些問題，你是否喪失了深究下去的興趣？

【未完待續