輸入輸出是操作系統不可或缺的一部分，大致分爲兩類：面向磁盤和麪向網絡。在 Java 中有3種 I/O 類型：BIO、NIO 和 AIO，分別是同步阻塞、同步非阻塞和異步非阻塞 I/O，這裏着重描述 BIO 和 NIO 的區別和常用的編程模型。
1. 爲什麼設計 NIO
一個直接原因就是爲了更好的利用操作系統特性，改善和擴展原有 API。與 NIO 相關的規範有兩個：
- JSR 51：它是 NIO 的第一個規範，關注緩衝區、通道和字符集的設計，引入一個簡單的面向緩衝區的 I/O 模型，並且提供一套非阻塞、I/O 多路複用、可擴展的 API
- JSR 203(NIO.2)：它在前者的基礎上，添加新的文件系統的抽象，完善現有 Socket 通道的配置，添加多播數據報的支持，並且定義了一個異步 I/O 編程 API
那麼，傳統的 BIO 又有什麼弊端？NIO 又是如何改進的？可以從兩方面進行說明。
1.2 文件操作
關於 java.io.file，它的不足之處在於：
- 查詢文件屬性時，如修改時間或文件類型，都會發生系統調用，並且這些組合操作非常常見，造成性能問題
- 部分方法在發生錯誤時返回 false 而不是拋出異常，比如 delete、rename，不知操作失敗的原因
- 一些 OS 高級功能不支持，比如符號鏈接、文件鎖定、內存映射等
而 NIO 支持批量獲取文件屬性，對文件、目錄的處理也重新設計，提供 FileLock、MappedByteBuffer 等支持 OS 高級功能。
1.3 網絡通信
BIO 是同步阻塞、基於流的 I/O，阻塞就意味着當 Socket 輸入流中無數據可讀取時，調用線程掛起，直到有數據讀取，期間不能處理其他請求，如果來了一個新連接，就只能再新建一個線程處理。
隨着連接數的增加，BIO 將會創建大量線程，而一個計算機能打開的進程數或線程數是有限的，嚴重的時候可能會導致應用崩潰無響應。一個有效的解決辦法是使用線程池，限制最大線程數，但它同時也限制了最大連接數。
NIO 將讀寫改爲非阻塞，無數據可讀，線程返回線程池，可用於處理其他連接。它對原始 I/O 提供了新的抽象 - Channel（通道），並且提供基於緩衝區的讀寫 API。Channel 表示一個到硬件設備、文件或網絡套接字的連接，與 java.net.Socket 的區別是：
- 可配置非阻塞，允許事件驅動的設計，提供了一種更加可擴展的服務器開發
- 面向緩衝區，可實現零拷貝執行 I/O ，只不過有一端必須是 FileChannel
相同環境下，BIO 的線程全程只處理一條連接，而 NIO 的線程可處理多個連接，提高了系統的吞吐能力。NIO 在服務器進行縱向擴展（比如增加內存、CPU）或者橫向擴展（比如增加服務器）往往能夠比 BIO 帶來更高的處理能力，使服務器具有更強的可擴展性和可伸縮性。
1.4 零拷貝
NIO 還有一個零拷貝的概念，零拷貝是指 CPU 不執行將數據從一個存儲區複製到另一個存儲區的操作。OS 級別的零拷貝指的是將數據發送到硬件驅動程序（網卡或磁盤驅動器）時避免從一個位置複製到另一個位置（一般是從用戶空間到內核空間），反之亦然。NIO 中的零拷貝就是這樣，只不過它只針對在網絡上發送文件。
2. I/O 模型的選擇
一般的，我們潛意識的會認爲 NIO 比 BIO 的性能高，其實不盡然，當然了有個讀取方式的問題，read(byte[]) 和 read(ByteBuffer)應該沒區別吧？所以如果系統的併發量不高，兩個用誰都行。
BIO 的問題通常會在海量的連接下體現出來，由於它不能充分利用、壓榨一臺服務器的性能，不管怎麼擴展，它能處理的連接數與機器性能往往是非線性的，付出和收穫不成正比。如果你的應用面臨的連接不斷增加，特別是存在大量的長連接，此時就要選擇 NIO，它不僅提高了單機處理能力，還能節省服務器成本。
NIO 相比 BIO 的重點在於可擴展性，在選擇 I/O 模型時，需要結合業務場景，綜合考慮以下幾點：
- 預計最大的併發數
- 短連接還是長連接
- 預計每個連接的數據量，即流量的大小
- NIO 靈活，但代價是編程複雜
3. 編程模型
BIO 的編程模型是一連接一處理線程，採用線程池優化。
NIO 典型的編程模型是 Reactor，事件複用器通知套接字何時準備好讀取和寫入操作的事件，將事件傳遞給合適的處理程序，由該程序負責實際的讀取或寫入。對於讀操作基本過程如下：
- 處理程序聲明感興趣的 I/O 事件 - 讀取事件
- 事件複用器等待事件
- 一個事件發生，複用器被喚醒並調用適當的處理程序
- 處理程序執行實際的讀取操作，處理讀取的數據，重新聲明關注的 I/O 事件，並將控制權返回給調度程序
與 Reactor 相對的還有一個 AIO 的 Proactor 模型，它是異步 I/O，事件複用器等待 I/O 操作完成的事件，它是真正的異步，因爲實際的 I/O 操作完全由操作系統執行。對於讀操作，它的做法是：
- 處理程序啓動異步讀取操作，在這種情況下，處理程序不關心 I/O 就緒事件，而是關注接收完成的事件
- 事件複用器等待操作完成
- 當事件複用器等待時，OS 並行的在內核線程中執行讀操作，將數據放入用戶定義的緩衝區，讀取完成後通知事件多路複用器
- 事件複用器調用適當的處理程序
- 處理程序處理用戶定義緩衝區的數據，啓動新的異步操作，並將控制返回給事件多路複用器
4. 小結
I/O 模型經常對比的是阻塞和非阻塞，還有同步和異步，在《UNIX 網絡編程》第6章已經給出了它們的區別，並且給出的圖示很直觀。這裏簡單做下說明，以 UDP 爲例，讀取一個數據包可以分爲兩個階段：
- 第一階段：應用進程發起系統調用，內核無數據包準備好，等待數據
- 第二階段：數據包準備好，OS 將數據從內核複製到用戶空間
阻塞和非阻塞描述的是第一階段無數據可讀取時線程是否掛起；同步和異步描述的是第二階段，在數據複製過程中線程是否參與和掛起。注意 NIO/BIO 都是同步 I/O，NIO 對應 UNP 中描述的 I/O 複用模型。