Java 中的 IO（輸入輸出）和 NIO（非阻塞 IO）是面試中的重要考點，尤其在涉及高并發、高性能場景時頻繁出現。以下是常見問題及核心解析：

一、IO 基礎與分類

1. 什么是 IO？Java 中的 IO 模型有哪些？

• IO 指數據在內存與外部設備（文件、網絡等）之間的傳輸。
• Java 中的 IO 模型：
  • BIO（Blocking IO，阻塞 IO）：傳統 IO，讀寫操作阻塞線程，直到完成。
  • NIO（Non-blocking IO，非阻塞 IO）：JDK 1.4 引入，基于通道（Channel）和緩沖區（Buffer），支持非阻塞操作。
  • AIO（Asynchronous IO，異步 IO）：JDK 1.7 引入，基于回調，操作完成后通知線程（真正的異步，區別于 NIO 的非阻塞）。

2. 字節流與字符流的區別？分別有哪些核心類？

• 字節流：以字節（8 位）為單位處理數據，適用于所有類型文件（二進制、文本）。
  核心類：InputStream/OutputStream（抽象基類）、FileInputStream/FileOutputStream、BufferedInputStream/BufferedOutputStream。
• 字符流：以字符（16 位 Unicode）為單位處理數據，適用于文本文件（需處理編碼）。
  核心類：Reader/Writer（抽象基類）、FileReader/FileWriter、BufferedReader/BufferedWriter。
• 區別：字節流直接操作字節，字符流通過字符編碼（如 UTF-8）轉換字節，需注意編碼不一致導致的亂碼問題。

3. 緩沖流（Buffered）的作用？為什么能提高性能？

• 緩沖流通過內置緩沖區（字節數組）減少直接 IO 操作次數：例如 BufferedReader 會一次讀取多個字符到緩沖區，后續 read() 從緩沖區獲取，而非每次訪問磁盤/網絡。
• 性能提升：IO 操作（尤其是磁盤）比內存操作慢 10^6 倍以上，緩沖流將多次小 IO 合并為一次大 IO，降低 IO 次數。

二、NIO 核心組件與原理

1. NIO 與 BIO 的本質區別是什么？

• BIO：面向流（Stream），讀寫是阻塞的（線程等待數據就緒），一個連接對應一個線程，高并發下資源耗盡。
• NIO：面向緩沖區（Buffer），支持非阻塞（線程可做其他事，無需等待數據），通過 selector 實現“一個線程管理多個連接”，適合高并發場景。

2. NIO 的三大核心組件是什么？各自的作用？

• Buffer（緩沖區）：數據容器，用于存儲讀寫的數據（如 ByteBuffer、CharBuffer），底層是數組，通過 position、limit、capacity 控制讀寫。
• Channel（通道）：雙向數據通道（區別于 BIO 的單向流），可讀寫數據，關聯緩沖區（如 FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel）。
• Selector（選擇器）：多路復用器，一個線程可監控多個 Channel 的事件（如連接就緒、讀就緒、寫就緒），實現非阻塞 IO 管理。

3. Selector 的工作原理？如何實現多路復用？

• 步驟：
  1. 創建 Selector 實例，將 Channel 注冊到 Selector（需設置為非阻塞 configureBlocking(false)），并指定關注的事件（SelectionKey.OP_READ 讀、OP_WRITE 寫、OP_ACCEPT 連接等）。
  2. 調用 selector.select() 阻塞等待事件就緒（或 selectNow() 非阻塞），返回就緒事件數。
     3. 遍歷就緒的 SelectionKey，處理對應事件（如讀就緒則從 Channel 讀取數據到 Buffer）。
• 多路復用：通過操作系統底層支持（如 Linux 的 epoll、Windows 的 IOCP），select() 僅返回就緒的通道，避免線程無效等待，實現“一個線程管理多連接”。

4. Buffer 的 flip()、rewind()、clear() 方法的區別？

• flip()：切換為讀模式，limit = position，position = 0（寫完數據后準備讀）。
• rewind()：重置讀指針，position = 0，limit 不變（重新讀已寫入的數據）。
• clear()：清空緩沖區，position = 0，limit = capacity（準備重新寫，數據未真正刪除，后續寫入會覆蓋）。

三、NIO 與 BIO 的實戰對比

1. BIO 為什么不適合高并發場景？NIO 如何解決這個問題？

• BIO 問題：一個連接對應一個線程，若并發量為 1 萬，需創建 1 萬線程，線程切換和內存開銷極大（每個線程棧約 1MB），導致系統崩潰。
• NIO 解決：通過 Selector 實現“單線程管理多連接”，僅在事件就緒時處理，線程數遠小于連接數（如 10 個線程處理 10 萬連接），降低資源消耗。

2. 如何用 NIO 實現一個簡單的服務器？

核心步驟：

// 1. 創建服務器通道和選擇器
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
Selector selector = Selector.open();// 2. 注冊連接事件
serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);while (true) {selector.select(); // 阻塞等待事件Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iterator = keys.iterator();while (iterator.hasNext()) {SelectionKey key = iterator.next();iterator.remove(); // 避免重復處理if (key.isAcceptable()) {// 3. 處理連接事件SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();clientChannel.configureBlocking(false);clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 注冊讀事件} else if (key.isReadable()) {// 4. 處理讀事件SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();// 處理數據...} else if (bytesRead == -1) {clientChannel.close(); // 連接關閉}}}
}

3. NIO 中的“零拷貝”是什么？如何實現？

• 零拷貝：避免數據在用戶態和內核態之間重復拷貝，提升 IO 效率（如大文件傳輸）。
• 實現：FileChannel 的 transferTo() 方法，通過操作系統的 sendfile 系統調用，直接將文件數據從內核態的磁盤緩沖區傳輸到網絡緩沖區，無需用戶態參與。
• 應用：NIO 實現的文件服務器、視頻流傳輸等場景。

四、AIO 與 NIO 的區別

1. AIO 與 NIO 的核心區別？各自的適用場景？

• NIO：非阻塞同步 IO，線程需主動調用 select() 輪詢事件是否就緒，仍需線程參與。
• AIO：異步 IO，線程發起讀寫操作后即可返回，操作完成后由操作系統通知線程（回調函數），無需主動輪詢。
• 適用場景：
  • NIO：高并發短連接（如 HTTP 服務器），需處理大量連接但每個連接數據量小。
  • AIO：長連接且 IO 操作耗時（如文件下載、數據庫查詢），異步等待不阻塞線程。

2. 為什么 AIO 在 Java 中應用不如 NIO 廣泛？

• 底層支持差異：Windows 對 AIO 支持較好（IOCP），但 Linux 直到內核 2.6 才支持，且 Java 對 Linux AIO 的封裝不完善。
• 編程復雜度：AIO 基于回調，邏輯分散，調試困難；NIO 模型更成熟，框架（如 Netty）已基于 NIO 優化，性能接近 AIO。

五、Netty 相關（NIO 的高級應用）

1. Netty 是什么？為什么比原生 NIO 好用？

• Netty 是基于 NIO 的高性能網絡框架，簡化了 NIO 的復雜編程（如解決原生 NIO 的 Selector 空輪詢 bug、提供編解碼器等）。
• 優勢：封裝 NIO 細節、提供斷線重連/心跳檢測等功能、支持多種協議（HTTP、WebSocket）、線程模型優化（主從 Reactor 模型）。

2. Netty 的線程模型？如何實現高并發？

• 主從 Reactor 模型：
  • 主 Reactor（Boss 線程）：處理連接請求，將建立的連接分配給從 Reactor。
  • 從 Reactor（Worker 線程）：處理 IO 事件（讀寫），調用業務邏輯。
• 高并發原因：基于 NIO 多路復用，減少線程數；通過事件驅動和異步處理，避免阻塞；內存池減少對象創建開銷。

總結

IO/NIO 面試重點考察 BIO 與 NIO 的本質區別、NIO 三大組件的協作原理、非阻塞與多路復用的實現 及 高并發場景下的 IO 模型選擇。回答時需結合底層機制（如系統調用、內核態/用戶態）和實戰場景（如 Netty 的應用），體現對高性能 IO 的理解。