一、I/O 模型的核心概念

I/O 操作的本質是數據在用戶空間（應用程序內存）和內核空間（操作系統內核內存）之間的傳輸。根據數據準備與拷貝階段的處理方式不同，I/O 模型可分為以下五類：

1. 阻塞 I/O（Blocking I/O）
2. 非阻塞 I/O（Non-blocking I/O）
3. I/O 多路復用（I/O Multiplexing）
4. 信號驅動 I/O（Signal-driven I/O）
5. 異步 I/O（Asynchronous I/O）

《Unix網絡編程》中5種I/O模型的比較：

本文重點分析前三種和第五種模型及其在 Java 中的實現。

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二、各模型原理與區別

1. 阻塞 I/O（BIO）

• 原理：
  線程發起 read() 后，一直阻塞直到內核完成數據準備和拷貝。
• 特點：
  • 簡單易用，但每個連接需獨立線程處理。
  • 高并發場景下線程資源消耗大，性能低下。

2. 非阻塞 I/O

• 原理：
  線程通過 fcntl() 設置文件描述符為非阻塞模式，輪詢調用 read()，若數據未就緒立即返回錯誤。
• 特點：
  • 避免線程阻塞，但需主動輪詢所有通道，導致 CPU 空轉。
  • 系統調用次數為 O(N)，效率低。

3. I/O 多路復用

• 原理：
  通過 select/poll/epoll 等系統調用，由內核監控多個文件描述符，返回就緒事件列表，應用程序僅處理有效 I/O。
• 特點：
  • 系統調用次數為 O(1)，高效管理海量連接。
  • 數據拷貝仍需應用程序同步處理，屬于同步 I/O。

4. 異步 I/O（AIO）

• 原理：
  應用程序發起 aio_read() 后立即返回，內核負責數據準備和拷貝，完成后通過回調通知應用。
• 特點：
  • 真正非阻塞，無任何等待階段。
  • 依賴操作系統支持（如 Linux io_uring、Windows IOCP）。

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三、Java 中的 I/O 模型實現

1. 阻塞 I/O（BIO）示例

// 服務端代碼（每連接一個線程）
public class BioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8080);while (true) {Socket socket = serverSocket.accept(); // 阻塞等待連接new Thread(() -> {try (InputStream in = socket.getInputStream()) {byte[] buffer = new byte[1024];int len;while ((len = in.read(buffer)) != -1) { // 阻塞讀取數據System.out.println(new String(buffer, 0, len));}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}

缺點：線程數隨連接數線性增長，資源消耗大。

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2. 非阻塞 I/O 示例

public class NonBlockingServer {public static void main(String[] args) throws IOException {ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false); // 非阻塞模式serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));while (true) {SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept(); // 立即返回，可能為 nullif (clientChannel != null) {clientChannel.configureBlocking(false);ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int len = clientChannel.read(buffer); // 非阻塞讀取if (len != -1) {buffer.flip();System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));}}}}
}

缺點：需主動輪詢所有連接，CPU 空轉嚴重。

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3. I/O 多路復用（NIO）示例

public class NioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {Selector selector = Selector.open();ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();serverChannel.configureBlocking(false);serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));serverChannel.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT); // 注冊 ACCEPT 事件while (true) {selector.select(); // 阻塞直到有事件就緒Set<SelectionKey> keys = selector.selectedKeys();Iterator<SelectionKey> iter = keys.iterator();while (iter.hasNext()) {SelectionKey key = iter.next();if (key.isAcceptable()) {ServerSocketChannel channel = (ServerSocketChannel) key.channel();SocketChannel clientChannel = channel.accept();clientChannel.configureBlocking(false);clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 注冊 READ 事件} else if (key.isReadable()) {SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int len = clientChannel.read(buffer); // 同步讀取數據if (len > 0) {buffer.flip();System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));}}iter.remove();}}}
}

優勢：單線程處理所有連接，適用于高并發場景。

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4. 異步 I/O（AIO）示例

public class AioServer {public static void main(String[] args) throws IOException {AsynchronousServerSocketChannel server = AsynchronousServerSocketChannel.open();server.bind(new InetSocketAddress(8080));server.accept(null, new CompletionHandler<AsynchronousSocketChannel, Void>() {@Overridepublic void completed(AsynchronousSocketChannel client, Void attachment) {server.accept(null, this); // 繼續接收新連接ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);client.read(buffer, buffer, new CompletionHandler<Integer, ByteBuffer>() {@Overridepublic void completed(Integer len, ByteBuffer buffer) {buffer.flip();System.out.println(new String(buffer.array(), 0, len));client.close();}@Overridepublic void failed(Throwable exc, ByteBuffer buffer) {exc.printStackTrace();}});}@Overridepublic void failed(Throwable exc, Void attachment) {exc.printStackTrace();}});// 防止主線程退出Thread.currentThread().join();}
}

特點：完全異步處理，但需操作系統支持（Windows 效果較好，Linux 推薦使用 NIO）。

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四、模型對比與選型建議

模型	線程阻塞	系統調用次數	編程復雜度	適用場景
BIO	完全阻塞	O(N)	低	低并發、簡單業務
非阻塞 I/O	輪詢非阻塞	O(N)	中	少量連接、實時性要求低
I/O 多路復用	事件驅動	O(1)	高	高并發網絡服務（如 Nginx）
AIO	完全非阻塞	O(1)	極高	超高性能 I/O 密集型任務

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五、總結

• BIO：簡單但性能差，適合低頻場景。
• 非阻塞 I/O：需主動輪詢，效率低下，實際較少直接使用。
• I/O 多路復用：高并發場景的黃金標準，Java NIO 的核心實現。
• AIO：理論最優，但受限于操作系統和編程復雜度。

技術選型建議：

• 大多數場景下，I/O 多路復用（NIO）是最佳選擇。
• 若需極致性能且系統支持，可嘗試異步 I/O（如 Linux io_uring）。
• 傳統 BIO 僅適用于原型開發或低并發場景。