IO一直是软件开发中的核心部分之一，伴随着海量数据增长和分布式系统的发展，IO扩展能力愈发重要。幸运的是，Java平台IO机制经过不断完善，虽然在某些方面仍有不足，但已经在实践中证明了其构建高扩展性应用的能力。
今天我要问你的问题是，Java提供了哪些IO方式？ NIO如何实现多路复用？
典型回答
Java IO方式有很多种，基于不同的IO抽象模型和交互方式，可以进行简单区分。
第一，传统的java.io包，它基于流模型实现，提供了我们最熟知的一些IO功能，比如File抽象、输入输出流等。交互方式是同步、阻塞的方式，也就是说，在读取输入流或者写入输出流时，在读、写动作完成之前，线程会一直阻塞在那里，它们之间的调用是可靠的线性顺序。
java.io包的好处是代码比较简单、直观，缺点则是IO效率和扩展性存在局限性，容易成为应用性能的瓶颈。
很多时候，人们也把java.net下面提供的部分网络API，比如Socket、ServerSocket、HttpURLConnection也归类到同步阻塞IO类库，因为网络通信同样是IO行为。
第二，在Java 1.4中引入了NIO框架（java.nio包），提供了Channel、Selector、Buffer等新的抽象，可以构建多路复用的、同步非阻塞IO程序，同时提供了更接近操作系统底层的高性能数据操作方式。
第三，在Java 7中，NIO有了进一步的改进，也就是NIO 2，引入了异步非阻塞IO方式，也有很多人叫它AIO（Asynchronous IO）。异步IO操作基于事件和回调机制，可以简单理解为，应用操作直接返回，而不会阻塞在那里，当后台处理完成，操作系统会通知相应线程进行后续工作。
考点分析
我上面列出的回答是基于一种常见分类方式，即所谓的BIO、NIO、NIO 2（AIO）。
在实际面试中，从传统IO到NIO、NIO 2，其中有很多地方可以扩展开来，考察点涉及方方面面，比如：
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基础API功能与设计， InputStream/OutputStream和Reader/Writer的关系和区别。
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NIO、NIO 2的基本组成。
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给定场景，分别用不同模型实现，分析BIO、NIO等模式的设计和实现原理。
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NIO提供的高性能数据操作方式是基于什么原理，如何使用？
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或者，从开发者的角度来看，你觉得NIO自身实现存在哪些问题？有什么改进的想法吗？
IO的内容比较多，专栏一讲很难能够说清楚。IO不仅仅是多路复用，NIO 2也不仅仅是异步IO，尤其是数据操作部分，会在专栏下一讲详细分析。
知识扩展
首先，需要澄清一些基本概念：
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区分同步或异步（synchronous/asynchronous）。简单来说，同步是一种可靠的有序运行机制，当我们进行同步操作时，后续的任务是等待当前调用返回，才会进行下一步；而异步则相反，其他任务不需要等待当前调用返回，通常依靠事件、回调等机制来实现任务间次序关系。
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区分阻塞与非阻塞（blocking/non-blocking）。在进行阻塞操作时，当前线程会处于阻塞状态，无法从事其他任务，只有当条件就绪才能继续，比如ServerSocket新连接建立完毕，或数据读取、写入操作完成；而非阻塞则是不管IO操作是否结束，直接返回，相应操作在后台继续处理。
不能一概而论认为同步或阻塞就是低效，具体还要看应用和系统特征。
对于java.io，我们都非常熟悉，我这里就从总体上进行一下总结，如果需要学习更加具体的操作，你可以通过教程等途径完成。总体上，我认为你至少需要理解一下内容。
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IO不仅仅是对文件的操作，网络编程中，比如Socket通信，都是典型的IO操作目标。
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输入流、输出流（InputStream/OutputStream）是用于读取或写入字节的，例如操作图片文件。
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而Reader/Writer则是用于操作字符，增加了字符编解码等功能，适用于类似从文件中读取或者写入文本信息。本质上计算机操作的都是字节，不管是网络通信还是文件读取，Reader/Writer相当于构建了应用逻辑和原始数据之间的桥梁。
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BufferedOutputStream等带缓冲区的实现，可以避免频繁的磁盘读写，进而提高IO处理效率。这种设计利用了缓冲区，将批量数据进行一次操作，但在使用中千万别忘了flush。
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参考下面这张类图，很多IO工具类都实现了Closeable接口，因为需要进行资源的释放。比如，打开FileInputStream，它就会获取相应的文件描述符（FileDescriptor），需要利用try-with-resources、 try-finally等机制保证FileInputStream被明确关闭，进而相应文件描述符也会失效，否则将导致资源无法被释放。利用专栏前面的内容提到的Cleaner或finalize机制作为资源释放的最后把关，也是必要的。
下面是我整理的一个简化版的类图，阐述了日常开发应用较多的类型和结构关系。
1. Java NIO概览
首先，熟悉一下NIO的主要组成部分：
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Buffer，高效的数据容器，除了布尔类型，所有原始数据类型都有相应的Buffer实现。
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Channel，类似在Linux之类操作系统上看到的文件描述符，是NIO中被用来支持批量式IO操作的一种抽象。
File或者Socket，通常被认为是比较高层次的抽象，而Channel则是更加操作系统底层的一种抽象，这也使得NIO得以充分利用现代操作系统底层机制，获得特定场景的性能优化，例如，DMA（Direct Memory Access）等。不同层次的抽象是相互关联的，我们可以通过Socket获取Channel，反之亦然。
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Selector，是NIO实现多路复用的基础，它提供了一种高效的机制，可以检测到注册在Selector上的多个Channel中，是否有Channel处于就绪状态，进而实现了单线程对多Channel的高效管理。Selector同样是基于底层操作系统机制，不同模式、不同版本都存在区别，例如，在最新的代码库里，相关实现如下：
- Charset，提供Unicode字符串定义，NIO也提供了相应的编解码器等，例如，通过下面的方式进行字符串到ByteBuffer的转换：
Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
2. NIO能解决什么问题？
下面我通过一个典型场景，来分析为什么需要NIO，为什么需要多路复用。设想，我们需要实现一个服务器应用，只简单要求能够同时服务多个客户端请求即可。
使用java.io和java.net中的同步、阻塞式API，可以简单实现。
public class DemoServer extends Thread {
private ServerSocket serverSocket;
public int getPort() {
return serverSocket.getLocalPort();
}
public void run() {
try {
serverSocket = new ServerSocket(0);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
requestHandler.start();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
if (serverSocket != null) {
try {
serverSocket.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
DemoServer server = new DemoServer();
server.start();
try (Socket client = new Socket(InetAddress.getLocalHost(), server.getPort())) {
BufferedReader bufferedReader = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream()));
bufferedReader.lines().forEach(s -> System.out.println(s));
}
}
}
// 简化实现，不做读取，直接发送字符串
class RequestHandler extends Thread {
private Socket socket;
RequestHandler(Socket socket) {
this.socket = socket;
}
@Override
public void run() {
try (PrintWriter out = new PrintWriter(socket.getOutputStream());) {
out.println("Hello world!");
out.flush();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
其实现要点是：
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服务器端启动ServerSocket，端口0表示自动绑定一个空闲端口。
-
调用accept方法，阻塞等待客户端连接。
-
利用Socket模拟了一个简单的客户端，只进行连接、读取、打印。
-
当连接建立后，启动一个单独线程负责回复客户端请求。
这样，一个简单的Socket服务器就被实现出来了。
思考一下，这个解决方案在扩展性方面，可能存在什么潜在问题呢？
大家知道Java语言目前的线程实现是比较重量级的，启动或者销毁一个线程是有明显开销的，每个线程都有单独的线程栈等结构，需要占用非常明显的内存，所以，每一个Client启动一个线程似乎都有些浪费。
那么，稍微修正一下这个问题，我们引入线程池机制来避免浪费。
serverSocket = new ServerSocket(0);
executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
while (true) {
Socket socket = serverSocket.accept();
RequestHandler requestHandler = new RequestHandler(socket);
executor.execute(requestHandler);
}
这样做似乎好了很多，通过一个固定大小的线程池，来负责管理工作线程，避免频繁创建、销毁线程的开销，这是我们构建并发服务的典型方式。这种工作方式，可以参考下图来理解。
如果连接数并不是非常多，只有最多几百个连接的普通应用，这种模式往往可以工作的很好。但是，如果连接数量急剧上升，这种实现方式就无法很好地工作了，因为线程上下文切换开销会在高并发时变得很明显，这是同步阻塞方式的低扩展性劣势。
NIO引入的多路复用机制，提供了另外一种思路，请参考我下面提供的新的版本。
public class NIOServer extends Thread {
public void run() {
try (Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverSocket = ServerSocketChannel.open();) {// 创建Selector和Channel
serverSocket.bind(new InetSocketAddress(InetAddress.getLocalHost(), 8888));
serverSocket.configureBlocking(false);
// 注册到Selector，并说明关注点
serverSocket.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);
while (true) {
selector.select();// 阻塞等待就绪的Channel，这是关键点之一
Set<SelectionKey> selectedKeys = selector.selectedKeys();
Iterator<SelectionKey> iter = selectedKeys.iterator();
while (iter.hasNext()) {
SelectionKey key = iter.next();
// 生产系统中一般会额外进行就绪状态检查
sayHelloWorld((ServerSocketChannel) key.channel());
iter.remove();
}
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void sayHelloWorld(ServerSocketChannel server) throws IOException {
try (SocketChannel client = server.accept();) { client.write(Charset.defaultCharset().encode("Hello world!"));
}
}
// 省略了与前面类似的main
}
这个非常精简的样例掀开了NIO多路复用的面纱，我们可以分析下主要步骤和元素：
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首先，通过Selector.open()创建一个Selector，作为类似调度员的角色。
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然后，创建一个ServerSocketChannel，并且向Selector注册，通过指定SelectionKey.OP_ACCEPT，告诉调度员，它关注的是新的连接请求。
注意，为什么我们要明确配置非阻塞模式呢？这是因为阻塞模式下，注册操作是不允许的，会抛出IllegalBlockingModeException异常。
-
Selector阻塞在select操作，当有Channel发生接入请求，就会被唤醒。
-
在sayHelloWorld方法中，通过SocketChannel和Buffer进行数据操作，在本例中是发送了一段字符串。
可以看到，在前面两个样例中，IO都是同步阻塞模式，所以需要多线程以实现多任务处理。而NIO则是利用了单线程轮询事件的机制，通过高效地定位就绪的Channel，来决定做什么，仅仅select阶段是阻塞的，可以有效避免大量客户端连接时，频繁线程切换带来的问题，应用的扩展能力有了非常大的提高。下面这张图对这种实现思路进行了形象地说明。
在Java 7引入的NIO 2中，又增添了一种额外的异步IO模式，利用事件和回调，处理Accept、Read等操作。 AIO实现看起来是类似这样子：
AsynchronousServerSocketChannel serverSock = AsynchronousServerSocketChannel.open().bind(sockAddr);
serverSock.accept(serverSock, new CompletionHandler<>() { //为异步操作指定CompletionHandler回调函数
@Override
public void completed(AsynchronousSocketChannel sockChannel, AsynchronousServerSocketChannel serverSock) {
serverSock.accept(serverSock, this);
// 另外一个 write（sock，CompletionHandler{}）
sayHelloWorld(sockChannel, Charset.defaultCharset().encode
("Hello World!"));
}
// 省略其他路径处理方法...
});
鉴于其编程要素（如Future、CompletionHandler等），我们还没有进行准备工作，为避免理解困难，我会在专栏后面相关概念补充后的再进行介绍，尤其是Reactor、Proactor模式等方面将在Netty主题一起分析，这里我先进行概念性的对比：
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基本抽象很相似，AsynchronousServerSocketChannel对应于上面例子中的ServerSocketChannel；AsynchronousSocketChannel则对应SocketChannel。
-
业务逻辑的关键在于，通过指定CompletionHandler回调接口，在accept/read/write等关键节点，通过事件机制调用，这是非常不同的一种编程思路。
今天我初步对Java提供的IO机制进行了介绍，概要地分析了传统同步IO和NIO的主要组成，并根据典型场景，通过不同的IO模式进行了实现与拆解。专栏下一讲，我还将继续分析Java IO的主题。
一课一练
关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？留一道思考题给你，NIO多路复用的局限性是什么呢？你遇到过相关的问题吗？
请你在留言区写写你对这个问题的思考，我会选出经过认真思考的留言，送给你一份学习鼓励金，欢迎你与我一起讨论。
你的朋友是不是也在准备面试呢？你可以“请朋友读”，把今天的题目分享给好友，或许你能帮到他。
精选留言
2018-09-13 14:20:10
BIO，快递员通知你有一份快递会在今天送到某某地方，你需要在某某地方一致等待快递员的到来。
NIO，快递员通知你有一份快递会送到你公司的前台，你需要每隔一段时间去前台询问是否有你的快递。
AIO，快递员通知你有一份快递会送到你公司的前台，并且前台收到后会给你打电话通知你过来取。
2018-05-29 22:34:15
2018-07-05 16:45:23
2018-06-16 16:15:45
sync和async是对阻塞进行更深一层次的阐释，区别在于数据拷贝由用户线程完成还是内核完成，讨论范围一定是两个线程及以上了。
同步阻塞，从数据是否准备就绪到数据拷贝都是由用户线程完成
同步非阻塞，数据是否准备就绪由内核判断，数据拷贝还是用户线程完成
异步非阻塞，数据是否准备就绪到数据拷贝都是内核来完成
所以真正的异步IO一定是非阻塞的。
多路复用IO即使有Reactor通知用户线程也是同步IO范畴，因为数据拷贝期间仍然是用户线程完成。
所以假如我们没有内核支持数据拷贝的情况下，讨论的非阻塞并不是彻底的非阻塞，也就没有引入sync和async讨论的必要了
不知道这样理解是否正确
2018-05-29 09:19:45
2018-06-30 18:18:11
2018-06-16 17:28:58
2018-12-15 11:46:30
如果一个通道的处理时间比较长，其他的多个通道又都就绪了，此时该怎么办？就让其他的就绪的通道等待着？
感觉是开眼界还行，如果是全弄明白，还是乏力的，要看专业的书啦！
2018-10-21 22:11:42
2019-10-15 08:56:10
2018-06-02 00:09:28
2018-06-02 03:08:44
2018-11-19 15:56:02
2018-08-08 15:32:42
《操作系统（第9版）》中关于进程通信中有对这部分概念做过解释， 在进程间通信的维度， 同步和阻塞，异步和非阻塞是相同的概念。
沿着作者的概念解释简单推论一下就可以发现:
如果同步操作是需要等待调用返回才能进行下一步， 显然这个调用是阻塞的。
反之， 不需要等待调用返回的接口，必然需要提供事件， 回调等机制，这种调用显然是非阻塞的。
2018-06-03 11:41:44
2018-05-31 21:08:11
2018-05-31 07:46:29
仓库地址：https://github.com/LoranceChen/RxSocket 欢迎相互交流开发经验～
记得在netty中，有一个搁置的netty5.x项目被废弃掉了，原因有一点官方说是性能提升不明显，这是可以理解的，因为linux下是基于epoll，本质还是select操作。
听了课程之后，有一点印象比较深刻，select模式是使用一个线程做监听，而bio每次来一个链接都要做线程切换，所以节省的时间在线程切换上，当然如果是c/c++实现，原理也是一样的。
想问一个一直困惑的问题，select内部如何实现的呢？
个人猜测：不考虑内核，应用层的区分，单纯从代码角度考虑，我猜测，当select开始工作时，有一个定时器，比如每10ms去检查一下网络缓冲区中是否有tcp的链接请求包，然后把这些包筛选出来，作为一个集合（即代码中的迭代器）填入java select类的一个集合成员中，然后唤醒select线程，做一个while遍历处理链接请求，这样一次线程调度就可以处理10ms内的所有链接。与bio比，节省的时间在线程上下文切换上。不知道这么理解对不对。
另外，也希望能出一个课程，按照上面这种理解底层的方式，讲讲select（因为我平常工作在linux机器，所以对select epoll比较感兴趣）如何处理read，write操作的。谢谢～
2018-05-31 07:59:34
2018-05-29 23:56:43
2018-05-29 11:41:02