什么是 I/O
I/O 是机器获取和交换信息的主要渠道，而流是完成 I/O 操作的主要方式。
在计算机中，流是一种信息的转换。流是有序的，因此相对于某一机器或者应用程序而言， 通常把机器或者应用程序接收外界的信息称为输入流（InputStream），从机器或者应 用程序向外输出的信息称为输出流（OutputStream），合称为输入 / 输出流（I/O Streams）。
机器间或程序间在进行信息交换或者数据交换时，总是先将对象或数据转换为某种形式的流，再通过流的传输，到达指定机器或程序后，再将流转换为对象数据。因此，流就可以被看作是一种数据的载体，通过它可以实现数据交换和传输。
Java 的 I/O 操作类在包 java.io 下，其中 InputStream、OutputStream 以及 Reader、 Writer 类是 I/O 包中的 4 个基本类，它们分别处理字节流和字符流。
不管是文件读写还是网络发送接收，信息的最小存储单元都是字 节，那为什么 I/O 流操作要分为字节流操作和字符流操作呢？
字符到字节必须经过转码，这个过程非常耗时，如果我们不知道编码类型就很容易出现乱码问题。所以 I/O 流提供了一个直接操作字符的接口，方便我们平时对字符进行流操作。下面我们就分别了解下“字节流”和“字符流”。
字节流
InputStream/OutputStream 是字节流的抽象类，这两个抽象类又派生出了若干子类，不同的子类分别处理不同的操作类型。如果是文件的读写操作，就使用FileInputStream/FileOutputStream；如果是数组的读写操作，就使用ByteArrayInputStream/ByteArrayOutputStream；如果是普通字符串的读写操作，就使用 BufferedInputStream/BufferedOutputStream。字符流
Reader/Writer 是字符流的抽象类，这两个抽象类也派生出了若干子类，不同的子类分别处理不同的操作类型
传统 I/O 的性能问题
I/O 操作分为磁盘 I/O 操作和网络 I/O 操作。前者是从磁盘中读取数据源输入到内存中，之后将读取的信息持久化输出在物理磁盘上；后者是从网络中读取信息输入到内存，最终将信息输出到网络中。但不管是磁盘 I/O 还是网络 I/O，在传统 I/O 中都存在严重的性能问题。
- 多次内存复制
在传统 I/O 中，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）。
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，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。
如何优化 I/O 操作
面对以上两个性能问题，不仅编程语言对此做了优化，各个操作系统也进一步优化了 I/O。JDK1.4 发布了 java.nio 包（new I/O 的缩写），NIO 的发布优化了内存复制以及阻塞导致的严重性能问题。JDK1.7 又发布了 NIO2，提出了从操作系统层面实现的异步 I/O。
- 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。
传统 I/O 和 NIO 的最大区别就是传统 I/O 是面向流，NIO 是面向 Buffer。Buffer 可以将文件一次性读入内存再做后续处理，而传统的方式是边读文件边处理数据。虽然传统 I/O后面也使用了缓冲块，例如 BufferedInputStream，但仍然不能和 NIO 相媲美。使用 NIO 替代传统 I/O 操作，可以提升系统的整体性能，效果立竿见影。
- 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。
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 DirectBuffer 则是直接将步骤简化为从内核空间复制到外部设备，减少了数据拷贝。
由于 DirectBuffer 申请的是非 JVM 的物理内存，所以创建和销毁的代价很高。DirectBuffer 申请的内存并不是直接由 JVM 负责垃圾回收，但在 DirectBuffer 包装类被回收时，会通过 Java Reference 机制来释放该内存块。
- 避免阻塞，优化 I/O 操作
NIO 很多人也称之为 Non-block I/O，即非阻塞 I/O，因为这样叫，更能体现它的特点。
传统的 I/O 即使使用了缓冲块，依然存在阻塞问题。由于线程池线程数量有限，一旦发生 大量并发请求，超过最大数量的线程就只能等待，直到线程池中有空闲的线程可以被复用。
而对 Socket 的输入流进行读取时，读取流会一直阻塞，直到发生以下三种情况的任意一种才会解除阻塞：
有数据可读；
连接释放；
空指针或 I/O 异常。
阻塞问题，就是传统 I/O 最大的弊端。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。
通道（Channel）
传统 I/O 的数据读取和写入是从用户空间到内核空间来回复制，而内核 空间的数据是通过操作系统层面的 I/O 接口从磁盘读取或写入。
在应用程序调用操作系统 I/O 接口时，是由 CPU 完成分配，这种方式最大的问题 是“发生大量 I/O 请求时，非常消耗 CPU“；之后，操作系统引入了 DMA（直接存储器 存储），内核空间与磁盘之间的存取完全由 DMA 负责，但这种方式依然需要向 CPU 申请权限，且需要借助 DMA 总线来完成数据的复制操作，如果 DMA 总线过多，就会造成总线冲突。
通道的出现解决了以上问题，Channel 有自己的处理器，可以完成内核空间和磁盘之间的 I/O 操作。
在 NIO 中，我们读取和写入数据都要通过 Channel，由于 Channel 是双向的，所以读、写可以同时进行。
多路复用器（Selector）
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。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。
