Java BIO NIO AIO
什么是BIO、NIO和AIO？三者有什么区别？具体如何使用?
IO是Java中比较重要，且比较难的知识点，主要是因为随着Java的发展，目前有三种IO共存。分别是 BIO、NIO 和 AIO。
Java BIO
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。
多次内存复制
在传统 I/O 中，我们可以通过 InputStream 从源数据中读取数据流输入到缓冲区里，通过 OutputStream 将数据输出到外部设备（包括磁盘、网络）。你可以先看下输入操作在操作系统中的具体流程。
JVM 会发出 read() 系统调用，并通过 read 系统调用向内核发起读请求；
内核向硬件发送读指令，并等待读就绪；
内核把将要读取的数据复制到指向的内核缓存中；
操作系统内核将数据复制到用户空间缓冲区，然后 read 系统调用返回。在这个过程中，数据先从外部设备复制到内核空间，再从内核空间复制到用户空间，这就发生了两次内存复制操作。这种操作会导致不必要的数据拷贝和上下文切换，从而降低 I/O 的性能。
阻塞
在传统 I/O 中，InputStream 的 read() 是一个 while 循环操作，它会一直等待数据读取，直到数据就绪才会返回。这就意味着如果没有数据就绪，这个读取操作将会一直被挂起，用户线程将会处于阻塞状态。在少量连接请求的情况下，使用这种方式没有问题，响应速度也很高。但在发生大量连接请求时，就需要创建大量监听线程，这时如果线程没有数据就绪就会被挂起，然后进入阻塞状态。一旦发生线程阻塞，这些线程将会不断地抢夺 CPU 资源，从而导致大量的 CPU 上下文切换，增加系统的性能开销。
Java NIO
Java NIO，全称 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。
使用缓冲区优化读写流操作
在传统 I/O 中，提供了基于流的 I/O 实现，即 InputStream 和 OutputStream，这种基于流的实现以字节为单位处理数据。
NIO 与传统 I/O 不同，它是基于块（Block）的，它以块为基本单位处理数据。在 NIO 中，最为重要的两个组件是缓冲区（Buffer）和通道（Channel）。Buffer 是一块连续的内存块，是 NIO 读写数据的中转地。Channel 表示缓冲数据的源头或者目的地，它用于读取缓冲或者写入数据，是访问缓冲的接口。
使用 DirectBuffer 减少内存复制
NIO 的 Buffer 除了做了缓冲块优化之外，还提供了一个可以直接访问物理内存的类 DirectBuffer。普通的 Buffer 分配的是 JVM 堆内存，而 DirectBuffer 是直接分配物理内存 (非堆内存)。
数据要输出到外部设备，必须先从用户空间复制到内核空间，再复制到输出设备，而在 Java 中，在用户空间中又存在一个拷贝，那就是从 Java 堆内存中拷贝到临时的直接内存中，通过临时的直接内存拷贝到内存空间中去。此时的直接内存和堆内存都是属于用户空间。
DirectBuffer 则是直接将步骤简化为数据直接保存到非堆内存，从而减少了一次数据拷贝。
DirectBuffer 是通过 unsafe.allocateMemory(size) 方法分配内存，也就是基于本地类 Unsafe 类调用 native 方法进行内存分配的。而在 NIO 中，还存在另外一个 Buffer 类：MappedByteBuffer，跟 DirectBuffer 不同的是，MappedByteBuffer 是通过本地类调用 mmap 进行文件内存映射的，map() 系统调用方法会直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行一次数据拷贝，从而减少了传统的 read() 方法从硬盘拷贝到内核空间这一步。
避免阻塞，优化 I/O 操作
NIO 发布后，通道和多路复用器这两个基本组件实现了 NIO 的非阻塞
Selector 是 Java NIO 编程的基础。用于检查一个或多个 NIO Channel 的状态是否处于可读、可写。Selector 是基于事件驱动实现的，我们可以在 Selector 中注册 accpet、read 监听事件，Selector 会不断轮询注册在其上的 Channel，如果某个 Channel 上面发生监听事件，这个 Channel 就处于就绪状态，然后进行 I/O 操作。一个线程使用一个 Selector，通过轮询的方式，可以监听多个 Channel 上的事件。我们可以在注册 Channel 时设置该通道为非阻塞，当 Channel 上没有 I/O 操作时，该线程就不会一直等待了，而是会不断轮询所有 Channel，从而避免发生阻塞。目前操作系统的 I/O 多路复用机制都使用了 epoll，相比传统的 select 机制，epoll 没有最大连接句柄 1024 的限制。所以 Selector 在理论上可以轮询成千上万的客户端。
在 Java 的 NIO 编程中，则是使用到了 Direct Buffer 来实现内存的零拷贝。Java 直接在 JVM 内存空间之外开辟了一个物理内存空间，这样内核和用户进程都能共享一份缓存数据。
NIO 在用户层也做了优化升级。NIO 是基于事件驱动模型来实现的 I/O 操作。Reactor 模型是同步 I/O 事件处理的一种常见模型，其核心思想是将 I/O 事件注册到多路复用器上，一旦有 I/O 事件触发，多路复用器就会将事件分发到事件处理器中，执行就绪的 I/O 事件操作。该模型有以下三个主要组件：事件接收器 Acceptor：主要负责接收请求连接；事件分离器 Reactor：接收请求后，会将建立的连接注册到分离器中，依赖于循环监听多路复用器 Selector，一旦监听到事件，就会将事件 dispatch 到事件处理器；事件处理器 Handlers：事件处理器主要是完成相关的事件处理，比如读写 I/O 操作。
Java AIO
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。
AIO 实现了真正意义上的异步 I/O，它是直接将 I/O 操作交给操作系统进行异步处理。
在NIO的基础上引入了新的异步通道的概念，并提供了异步文件通道和异步套接字通道的实现。
三种IO的区别
首先，我们站在宏观的角度，重新画一下重点：
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。
那么，同步阻塞、同步非阻塞、异步非阻塞都是怎么回事呢？
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。
使用场景
BIO方式适用于连接数目比较小且固定的架构，这种方式对服务器资源要求比较高，并发局限于应用中，JDK1.4以前的唯一选择，但程序直观简单易理解。
NIO方式适用于连接数目多且连接比较短（轻操作）的架构，比如聊天服务器，并发局限于应用中，编程比较复杂，JDK1.4开始支持。
AIO方式适用于连接数目多且连接比较长（重操作）的架构，比如相册服务器，充分调用OS参与并发操作，编程比较复杂，JDK7开始支持。
References
[1] 漫画：一文学会面试中常问的 IO 问题！
[2] 10个最高频的Java NIO面试题剖析！
[3] JavaGuide/blob/master/docs/java/BIO-NIO-AIO.md
[4] Java NIO浅析