本文转自“雨夜随笔”公众号，欢迎关注

网上目前很多文章，都是直接将 Java NIO 说成是非阻塞 IO，而且不乏很多大厂的文章，或者热点文章。但是我们要首先意识到这种说法是错误的。至于为什么，让我们来看一下：

I/O

I/O 在程序中指的 Input/Output，也就是数据的输入和输出。程序的 I/O 操作依赖于底层的 I/O 操作，基本上都会用上底层的 read/write 操作。而对于 read 和 write，需要知道的是 read 不是直接将数据直接从物理设备读取到内存中，而 write 也不是将数据直接从内存写入到物理设备。上层应用无论是调用系统的 read 还是 write，都涉及到内核缓存区，具体来说，调用操作系统的 read，是把数据从内核缓冲区复制到进程缓冲区；而 write 系统调用，是把数据从进程缓冲区复制到内核缓冲区。如下图：

缓存区的设置主要是为了减少频繁地与设备的物理交换。因为外部设备的直接读写，涉及操作系统的中断。发生系统中断时，需要保存之前的进程数据和状态等信息，而结束中断之后，还需要恢复之前的进程数据和状态等信息。为了减少这种底层系统的时间损耗、性能损耗，于是出现了内存缓冲区。

而缓存区的出现，导致实际上的 I/O 操作涉及到两个阶段：

1. 等待数据准备好

2. 将数据在内存缓存区之间进行拷贝

我们先记住这两个阶段，一般来说 IO 模型主要是在这两个阶段有区别。

Unix 中的 I/O

在了解 Unix 中的 I/O 之前，我们先了解两组名词：阻塞和非阻塞、同步和异步。

• 阻塞：阻塞意味着调用方在结果出现之前，不会做任何其他事情。

• 非阻塞：非阻塞意味着调用方在结果出现之前，同时在做其他的事情。被调用方会立即返回一个值，调用方拿到后可以做其他事情也可以选择不做。

• 同步：必须等待被调用方处理完请求返回结果。

• 异步：被调用方处理请求通过调用方注册的回调接口返回结果。

网上有各种各样的定义，根据我自己的理解，我认为阻塞和非阻塞主要针对调用方，它们的区别在于阻塞在得到结果前会一直等待，非阻塞会先得到一个值，但是在得到真正的结果前可以做其他的事情。而同步和异步主要针对被调用方的结果返回形式，同步是处理完再返回，异步是处理完后通过回调返回结果。

I/O 模型

上面两两组合，构成了 Unix 中的四种 I/O 模型。

同步阻塞 I/O (Blocking IO)

在阻塞式 IO 模型中，应用程序从 IO 系统调用开始，直到系统调用返回，在这段时间内，调用进程是阻塞的。如下图：

阻塞 IO 的优点是：实现简单，而且阻塞期间，用户线程基本不会占用资源。但是缺点也很明显：那就是在高并发的场景下，需要大量的线程来维护每一个阻塞的任务，内存和线程切换的开销都非常大。

同步非阻塞 I/O (Non-Blocking IO)

在 Linux 系统下，可以设置 socket 为非阻塞的的模式，在这种模式下，如果调用时没有数据，系统会立即返回一个调用失败的消息。然后调用方过段时间再查询，如果有数据，则变成阻塞方式，进行数据复制。而这个就是我们日常所说的 NIO。如下图：

非阻塞 IO 的优点在于：每次的调用都可以立即得到反馈，调用方不会阻塞，实时性比较好。缺点是：调用方需要不断的轮询，这个会占用 CPU 资源，并且效率低下。

I/O 多路复用 (IO Multiplexing)

为了避免非阻塞 IO 模型上轮询的问题，系统设计了 select/epoll，在这个模式下，一个进程可以监控多个文件描述符，也就是多个数据的就绪状态。目前支持 IO 多路复用的系统调用有 select，epoll 等，select 基本在所有的系统都支持，epoll 是 Linux 2.6 内核提出的，是 select 的一种增强版本。流程如下：

IO 多路复用模型是在非阻塞 IO 上的升级，优点是：不需要单独维护不同的连接，通过 select/epoll 可以通过一个选择器查询线程来处理上千万个连接。缺点是：IO 多路复用本质上还是属于同步 IO，也就是数据就绪后，还是需要阻塞等待数据复制完成。

异步 I/O (Asynchronous IO)

异步 IO 又称为 AIO，基本流程和上面不同，在于被调用方完成所有的操作后，再通知调用方。调用方得到通知后可以直接进行后续操作，而不需进行等待，如下图：

异步 IO 可以说是非常美好，有点非常明显，那就是：调用方永远不会阻塞。缺点是：因为被调用方完成了大部分工作，所以需要被调用方支持。目前 Windows 下有 IOCP 实现了异步 IO，Linux 下在 2.6 引入，但是还不完善，并且底层依旧采用 epoll，和 IO 多路复用相比，性能上没有明星的优势。

Java NIO

在上面我们说了 NIO 指的是 Non-Blocking IO,也就是非阻塞 IO。那么 Java NIO 是不是就是非阻塞 IO 呢？也就是当面试官问你：请你说一下 Java 的 NIO。你这时候直接说起了非阻塞 IO 是不是可以呢？

事实上，Java NIO 的实际全程是（Java New IO）,主要是对为了弥补之前 IO（OIO）同步阻塞的缺点，相比于老的 IO 面向流，NIO 是面向缓冲区的。

Java NIO 的核心由三部分组成：

• Channel：通道

• Buffer： 缓冲区

• Selector：选择器

有选择器，我们对比上面的四种模型就了解到 Java NIO 主要是基于 IO 多路复用这个 IO 模型。我们可以看一下 Java NIO 的模型：

我们这里限于篇幅，不细讲 Java NIO 的实现细节，我们主要讲一下 Java NIO 的设计哲学。

传统的 OIO 是面向字节流或者字符流的，总是以流式的方式顺序从流中读取字节。这样有个问题就是不能随意更改读取指针的位置，而 NIO 中为了解决这个问题，引入了 Channel 和 Buffer。读取和写入，只是从 Channel 中读取到 Buffer 里，或者从 Buffer 写入到 Channel 中。由于不是顺序操作，所以可以随意更改读取的位置。

传统的 OIO 因为是同步阻塞的，例如，传统的 IO 操作 read，当我们读取一个文件时，我们 read 的线程就会被阻塞住，直到 read 操作完成。那么 NIO 为了做到非阻塞，当我们调用 read 操作时，如果没有数据，read 会直接返回，不会阻塞当前线程。因为 NIO 使用了 Channel 和 Channel 的多路复用技术（IO 多路复用），后续可以通过 Selector 获取数据的就绪信息。

总结

Java NIO 是 Java New IO 的简称，是为了弥补之前 IO 的缺点。底层主要是基于 IO 多路复用的 IO 模型，并不简简单单的是 NIO（非阻塞 IO）。所以如果下一次面试官问你 Java NIO 和 NIO 的区别是什么？你要意识到他更希望你说出 IO 多路复用的细节和 Java NIO 中的 Buffer， Channel 和 Selector 以及他们的工作流程。

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