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JavaIO笔记

news 2025/10/29 8:38:10

一、BIO（阻塞 IO）版本

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;public class BIOServer {public static void main(String[] args) throws IOException {// 1️⃣ 用户态：创建服务端Socket（底层通过syscall创建socket fd）ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);System.out.println("BIO服务器启动，监听8080...");while (true) {// 2️⃣ 阻塞等待客户端连接（accept是系统调用，会进入内核态）Socket socket = serverSocket.accept(); // <-- 阻塞点System.out.println("客户端已连接：" + socket.getRemoteSocketAddress());// 3️⃣ 读取客户端发送的数据（若内核缓冲区为空则阻塞）InputStream inputStream = socket.getInputStream();byte[] buffer = new byte[1024];int len;while ((len = inputStream.read(buffer)) != -1) { // <-- 阻塞点String msg = new String(buffer, 0, len);System.out.println("收到客户端消息：" + msg);}// 4️⃣ 客户端断开socket.close();}}
}

内核交互图

用户线程（Java层）        操作系统（内核态）
----------------------------------------------------
accept()  ------------>  内核等待新连接队列非空（若无连接则阻塞线程）read()    ------------>  内核TCP缓冲区中若无数据 → 阻塞线程若有数据 → 拷贝至用户空间 → 返回

结论：
BIO 每次 I/O 调用都会让线程阻塞，CPU 不能干别的事，因此每个连接都要一个线程去读。

二、NIO（非阻塞 IO + 多路复用）版本

我们使用 ServerSocketChannel + Selector 的典型写法👇

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.*;
import java.util.Iterator;public class NIOServer {public static void main(String[] args) throws IOException {// 1️⃣ 创建 ServerSocketChannel（本质上仍是一个socket fd）ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));serverChannel.configureBlocking(false); // 设置为非阻塞模式System.out.println("NIO服务器启动，监听8080...");// 2️⃣ 创建 Selector（内核底层 epoll/kqueue）Selector selector = Selector.open();// 3️⃣ 将 ServerSocketChannel 注册到 selector，监听“连接就绪”事件serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);// 4️⃣ 事件循环while (true) {System.out.println("等待事件发生...");// select() 会阻塞，直到至少有一个通道就绪selector.select(); // <-- 阻塞在多路复用器上（操作系统监视所有fd）// 5️⃣ 获取就绪事件集合Iterator<SelectionKey> iterator = selector.selectedKeys().iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove(); // 取出后要移除，避免重复处理// 6️⃣ 处理不同类型事件if (key.isAcceptable()) { // 新连接事件ServerSocketChannel ssc = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel client = ssc.accept(); // 取出新连接client.configureBlocking(false);System.out.println("新客户端连接：" + client.getRemoteAddress());client.register(selector, SelectionKey.OP_READ, ByteBuffer.allocate(1024));} else if (key.isReadable()) { // 可读事件SocketChannel client = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = (ByteBuffer) key.attachment();int len = client.read(buffer); // 非阻塞readif (len > 0) {buffer.flip();System.out.println("收到消息：" + new String(buffer.array(), 0, len));buffer.clear();} else if (len == -1) {System.out.println("客户端断开：" + client.getRemoteAddress());client.close();}}}}}
}

内核层流程图解

初始化阶段

ServerSocketChannel.open()   → syscall(socket)
Selector.open()              → syscall(epoll_create)
register()                   → syscall(epoll_ctl(ADD, fd, event))

事件循环阶段

selector.select()            → syscall(epoll_wait)内核阻塞，等待任意fd状态变化（连接到达、可读、可写）== 事件触发 ==
内核检测到：- 某fd可读（TCP缓冲区有数据）- 某fd可写- 新连接到达监听fd== 内核通知用户态 ==
selector.select() 返回
→ Java线程被唤醒
→ 用户态开始处理事件

内核交互图（NIO版）

用户线程（Java层）        操作系统（内核态）
----------------------------------------------------
register() ------------> epoll_ctl(ADD)内核记录：此fd要监听哪些事件select()  ------------> epoll_wait()等待任何一个fd状态变化若事件发生 → 唤醒线程read()    ------------> 非阻塞调用，若无数据立即返回0若有数据 → 内核拷贝 → 用户空间返回

精华对比总结

对比点

BIO

NIO

编程接口

InputStream / OutputStream

Channel / Buffer

阻塞模型

调用 read() 时阻塞

非阻塞，立即返回

并发模型

一连接一线程

一个线程监听所有连接

多路复用

❌ 无

✅ 由 Selector + epoll 实现

select() 是否阻塞

✅ 是，但只阻塞在等待事件阶段（而非数据读取阶段）

数据读取

内核 → 用户缓冲区

通道对应独立缓冲区（ByteBuffer）

缓冲区积压

每个通道独立维护，受内核 TCP buffer 限制

控制得当不会溢出（epoll 水平触发或边缘触发控制）

操作系统交互

每次I/O调用都会syscall

注册后由epoll_wait监控fd状态

AIO

一、AIO（Asynchronous I/O）核心思想

AIO 是 Java 7 (java.nio.channels 包) 引入的真正的异步非阻塞 I/O 模型。

不同于 NIO 的“一个线程轮询多个通道”，AIO 是由操作系统完成 I/O 并主动通知应用线程。
即：

  • 发起请求 → 操作系统后台执行 → I/O 完成后回调用户定义的处理逻辑（CompletionHandler）。

底层机制（重点说明给面试官听）

在 Linux 下，Java 的 AIO 实际上是基于底层的 epoll + 线程池 模拟异步，而在 Windows 上是基于系统的真正异步 I/O API（如 IOCP）。
所以你可以总结：

“AIO 是真正的异步模型，数据读写都由内核完成后再通知应用层回调。相比之下，NIO 只是多路复用，线程仍需主动去取数据。”

二、AIO 经典实现代码示例

这是最常见的 AIO 服务端和客户端实现（基于 AsynchronousServerSocketChannel 与 AsynchronousSocketChannel）👇

服务端示例：异步接受客户端请求并读取数据

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousServerSocketChannel;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;public class AioServer {public static void main(String[] args) throws Exception {// 1. 打开异步 Server 通道AsynchronousServerSocketChannel server =AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(new InetSocketAddress(8888));System.out.println("AIO Server started on port 8888...");// 2. 异步等待客户端连接server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {@Overridepublic void completed(AsynchronousSocketChannel client, Void attachment) {// 继续接受下一个连接（关键）server.accept(null, this);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);// 3. 异步读取客户端数据client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer buf) {buf.flip();String msg = new String(buf.array(), 0, result);System.out.println("Received: " + msg);// 4. 异步写回响应ByteBuffer response = ByteBuffer.wrap(("Echo: " + msg).getBytes());client.write(response);}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer buf) {exc.printStackTrace();}});}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Void attachment) {exc.printStackTrace();}});// 主线程阻塞（防止退出）Thread.currentThread().join();}
}

客户端示例

import java.net.InetSocketAddress;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.AsynchronousSocketChannel;
import java.nio.channels.CompletionHandler;public class AioClient {public static void main(String[] args) throws Exception {AsynchronousSocketChannel client = AsynchronousSocketChannel.open();client.connect(new InetSocketAddress("127.0.0.1", 8888), null,new CompletionHandler<Void, Void>() {@Overridepublic void completed(Void result, Void attachment) {ByteBuffer buffer = ByteBuffer.wrap("Hello AIO".getBytes());client.write(buffer);ByteBuffer readBuffer = ByteBuffer.allocate(1024);client.read(readBuffer, readBuffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {@Overridepublic void completed(Integer result, ByteBuffer buf) {buf.flip();System.out.println("Server replied: " +new String(buf.array(), 0, result));}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer buf) {exc.printStackTrace();}});}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Void attachment) {exc.printStackTrace();}});Thread.sleep(3000);}
}

三、AIO vs NIO 对比（重点总结）

对比项

BIO

NIO

AIO

模型类型

同步阻塞

同步非阻塞

异步非阻塞

I/O 调用

阻塞调用

Selector 轮询

回调通知

底层机制

每连接一线程

I/O 多路复用（epoll/select）

内核完成后回调（IOCP/模拟异步）

线程模型

一个连接一个线程

一个线程可管理多个连接

线程发起请求后立刻返回，由回调处理

适用场景

连接少、简单业务

高并发、短连接场景（如聊天）

超高并发、I/O 密集、任务耗时较长场景

Java 包

java.io

java.nio

java.nio.channels（NIO2）

http://www.dtcms.com/a/540806.html

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