在 Java 网络编程中，BIO（Blocking I/O）、NIO（Non-blocking I/O）和 AIO（Asynchronous I/O） 是三种不同的 I/O 模型，分别适用于不同的场景。它们的核心区别在于 数据传输方式 和 线程调度机制。以下是详细对比和解析：

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一、BIO（Blocking I/O）—— 同步阻塞 I/O

1. 基本原理

• 同步阻塞：每个客户端连接需要一个独立的线程进行处理，线程在等待数据时会阻塞。
• 工作流程：
  • 服务端监听客户端连接（ServerSocket.accept()）。
  • 客户端连接后，服务端为每个连接分配一个线程处理通信（读写操作）。
  • 线程在 InputStream.read() 或 OutputStream.write() 时会阻塞，直到数据到达或写出。

2. 核心组件

• ServerSocket：监听客户端连接。
• Socket：客户端与服务端的通信通道。
• InputStream/OutputStream：数据读写接口。

3. 优点

• 简单易用：代码逻辑清晰，适合初学者。
• 适合低并发场景：连接数少且固定的场景（如内部工具、小型服务）。

4. 缺点

• 线程资源消耗大：每个连接占用一个线程，高并发下容易导致线程爆炸（OOM）。
• 性能瓶颈：线程切换和阻塞导致吞吐量低。
• 无法横向扩展：线程数随连接数线性增长，无法充分利用多核 CPU。

5. 典型应用场景

• 小型本地服务（如日志收集、内部测试工具）。
• 连接数极少的场景（如嵌入式设备通信）。

6. 代码示例

// 服务端
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);
while (true) {
    Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待连接
    new Thread(() -> {
        try {
            InputStream in = socket.getInputStream();
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = in.read(buffer); // 阻塞等待数据
            System.out.println(new String(buffer, 0, len));
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
}

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二、NIO（Non-blocking I/O）—— 同步非阻塞 I/O

1. 基本原理

• 同步非阻塞：基于 事件驱动模型，通过 Selector（多路复用器） 监听多个 Channel 的 I/O 事件。
• 核心思想：单线程管理多个 Channel，避免为每个连接分配独立线程。
• 工作流程：
  • 客户端连接后，Channel 注册到 Selector。
  • Selector 监听事件（如 OP_ACCEPT, OP_READ）。
  • 事件触发后，线程处理对应 Channel 的数据读写（非阻塞）。

2. 核心组件

• Channel：替代 InputStream/OutputStream，支持非阻塞读写。
• Buffer：数据缓冲区（如 ByteBuffer），替代字节数组。
• Selector：事件分发器，监听多个 Channel 的 I/O 事件。

3. 优点

• 高并发支持：单线程管理成千上万连接（C10K 问题解决方案）。
• 资源利用率高：线程数不随连接数增长，减少上下文切换开销。
• 灵活的事件驱动：支持多种事件类型（如读就绪、写就绪）。

4. 缺点

• 复杂度高：需手动处理事件注册、缓冲区管理和数据解析。
• 空轮询问题：Selector 可能出现 CPU 空转（Netty 已解决）。

5. 典型应用场景

• 高性能服务器（如 Netty、Tomcat NIO 模式）。
• 实时通信系统（如 IM 聊天、游戏服务器）。
• 物联网（IoT）设备通信。

6. 代码示例

// 服务端
Selector selector = Selector.open();
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.configureBlocking(false);
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.register(selector, OP_ACCEPT);

while (true) {
    selector.select(); // 阻塞等待事件
    Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();
    for (SelectionKey key : keys) {
        if (key.isAcceptable()) {
            ServerSocketChannel server = (ServerSocketChannel) key.channel();
            SocketChannel clientChannel = server.accept();
            clientChannel.configureBlocking(false);
            clientChannel.register(selector, OP_READ); // 注册读事件
        } else if (key.isReadable()) {
            SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();
            ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
            int len = clientChannel.read(buffer); // 非阻塞读取
            if (len > 0) {
                buffer.flip();
                System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));
            }
        }
    }
    keys.clear();
}

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三、AIO（Asynchronous I/O）—— 异步非阻塞 I/O（Java 7+）

1. 基本原理

• 异步非阻塞：由操作系统内核完成 I/O 操作，并在完成后通知应用层。
• 核心思想：发起 I/O 请求后立即返回，由操作系统在完成后通过回调或 Future 通知应用。
• 工作流程：
  • 应用程序发起读写请求（如 AsynchronousSocketChannel.read()）。
  • 操作系统内核处理数据传输。
  • 数据传输完成后，触发回调函数或 Future 完成。

2. 核心组件

• AsynchronousServerSocketChannel：异步监听客户端连接。
• AsynchronousSocketChannel：异步读写数据。
• CompletionHandler：回调接口，处理 I/O 完成后的逻辑。

3. 优点

• 真正的异步：无需线程等待，I/O 操作由操作系统完成。
• 高吞吐量：适合大文件传输或高延迟网络。
• 线程资源少：仅需少量线程即可处理大量并发。

4. 缺点

• API 复杂：需实现回调接口或使用 Future。
• 兼容性差：仅支持 Java 7+，且在 Linux 上依赖 epoll，Windows 上依赖 IOCP。
• 实际应用少：相比 NIO，AIO 的社区生态和框架支持较弱（Netty 不推荐 AIO）。

5. 典型应用场景

• 大文件传输（如视频流、日志同步）。
• 高延迟网络环境（如跨地域数据中心通信）。
• 需要最小化线程占用的场景。

6. 代码示例

// 服务端
AsynchronousServerSocketChannel serverChannel = AsynchronousServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {
    @Override
    public void completed(AsynchronousSocketChannel clientChannel, Void attachment) {
        serverChannel.accept(null, this); // 接受下一个连接
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);
        clientChannel.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {
            @Override
            public void completed(Integer result, ByteBuffer buffer) {
                buffer.flip();
                System.out.println(new String(buffer.array(), 0, result));
            }

            @Override
            public void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {
                exc.printStackTrace();
            }
        });
    }

    @Override
    public void failed(Throwable exc, Void attachment) {
        exc.printStackTrace();
    }
});

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四、BIO、NIO、AIO 对比表

特性	BIO	NIO	AIO
模型	同步阻塞	同步非阻塞	异步非阻塞
线程模型	每连接一线程	单线程多路复用	操作系统回调
数据传输	流式（InputStream/OutputStream）	缓冲区（Buffer）	异步回调（CompletionHandler）
性能	低（线程爆炸）	高（C10K 问题解决方案）	最高（依赖操作系统）
适用场景	低并发、简单服务	高并发、实时通信	大文件传输、高延迟网络
复杂度	简单	中等	高
Java 支持	所有版本	Java 1.4+	Java 7+

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五、选型建议

1. BIO：适合连接数少、逻辑简单的场景（如内部工具）。
2. NIO：主流选择，适合高并发、低延迟场景（如 Netty、Tomcat）。
3. AIO：适合需要最小化线程占用的场景（如大文件传输），但需权衡兼容性和开发复杂度。

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六、Netty 为何选择 NIO 而非 AIO？

• 兼容性：AIO 在 Linux 上依赖 epoll，而 NIO 的 Selector 更通用。
• 性能瓶颈：AIO 的回调机制在高并发下可能成为瓶颈（如回调过多）。
• 社区生态：NIO 的生态更成熟（如 Netty、Netty 的 EventLoop 模型）。

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七、总结

• BIO：简单但低效，适合入门和低并发场景。
• NIO：高性能核心，通过事件驱动实现高并发。
• AIO：理论最优，但受限于 API 复杂度和系统支持。

掌握这三种模型的核心差异后，开发者可以根据业务需求选择合适的 I/O 模型，构建高性能网络应用。