Java 中的 IO（输入输出）和 NIO（非阻塞 IO）是面试中的重要考点，尤其在涉及高并发、高性能场景时频繁出现。以下是常见问题及核心解析：

一、IO 基础与分类

1. 什么是 IO？Java 中的 IO 模型有哪些？

• IO 指数据在内存与外部设备（文件、网络等）之间的传输。
• Java 中的 IO 模型：
  • BIO（Blocking IO，阻塞 IO）：传统 IO，读写操作阻塞线程，直到完成。
  • NIO（Non-blocking IO，非阻塞 IO）：JDK 1.4 引入，基于通道（Channel）和缓冲区（Buffer），支持非阻塞操作。
  • AIO（Asynchronous IO，异步 IO）：JDK 1.7 引入，基于回调，操作完成后通知线程（真正的异步，区别于 NIO 的非阻塞）。

2. 字节流与字符流的区别？分别有哪些核心类？

• 字节流：以字节（8 位）为单位处理数据，适用于所有类型文件（二进制、文本）。
  核心类：InputStream/OutputStream（抽象基类）、FileInputStream/FileOutputStream、BufferedInputStream/BufferedOutputStream。
• 字符流：以字符（16 位 Unicode）为单位处理数据，适用于文本文件（需处理编码）。
  核心类：Reader/Writer（抽象基类）、FileReader/FileWriter、BufferedReader/BufferedWriter。
• 区别：字节流直接操作字节，字符流通过字符编码（如 UTF-8）转换字节，需注意编码不一致导致的乱码问题。

3. 缓冲流（Buffered）的作用？为什么能提高性能？

• 缓冲流通过内置缓冲区（字节数组）减少直接 IO 操作次数：例如 BufferedReader 会一次读取多个字符到缓冲区，后续 read() 从缓冲区获取，而非每次访问磁盘/网络。
• 性能提升：IO 操作（尤其是磁盘）比内存操作慢 10^6 倍以上，缓冲流将多次小 IO 合并为一次大 IO，降低 IO 次数。

二、NIO 核心组件与原理

1. NIO 与 BIO 的本质区别是什么？

• BIO：面向流（Stream），读写是阻塞的（线程等待数据就绪），一个连接对应一个线程，高并发下资源耗尽。
• NIO：面向缓冲区（Buffer），支持非阻塞（线程可做其他事，无需等待数据），通过 selector 实现“一个线程管理多个连接”，适合高并发场景。

2. NIO 的三大核心组件是什么？各自的作用？

• Buffer（缓冲区）：数据容器，用于存储读写的数据（如 ByteBuffer、CharBuffer），底层是数组，通过 position、limit、capacity 控制读写。
• Channel（通道）：双向数据通道（区别于 BIO 的单向流），可读写数据，关联缓冲区（如 FileChannel、SocketChannel、ServerSocketChannel）。
• Selector（选择器）：多路复用器，一个线程可监控多个 Channel 的事件（如连接就绪、读就绪、写就绪），实现非阻塞 IO 管理。

3. Selector 的工作原理？如何实现多路复用？

• 步骤：
  1. 创建 Selector 实例，将 Channel 注册到 Selector（需设置为非阻塞 configureBlocking(false)），并指定关注的事件（SelectionKey.OP_READ 读、OP_WRITE 写、OP_ACCEPT 连接等）。
  2. 调用 selector.select() 阻塞等待事件就绪（或 selectNow() 非阻塞），返回就绪事件数。
     3. 遍历就绪的 SelectionKey，处理对应事件（如读就绪则从 Channel 读取数据到 Buffer）。
• 多路复用：通过操作系统底层支持（如 Linux 的 epoll、Windows 的 IOCP），select() 仅返回就绪的通道，避免线程无效等待，实现“一个线程管理多连接”。

4. Buffer 的 flip()、rewind()、clear() 方法的区别？

• flip()：切换为读模式，limit = position，position = 0（写完数据后准备读）。
• rewind()：重置读指针，position = 0，limit 不变（重新读已写入的数据）。
• clear()：清空缓冲区，position = 0，limit = capacity（准备重新写，数据未真正删除，后续写入会覆盖）。

三、NIO 与 BIO 的实战对比

1. BIO 为什么不适合高并发场景？NIO 如何解决这个问题？

• BIO 问题：一个连接对应一个线程，若并发量为 1 万，需创建 1 万线程，线程切换和内存开销极大（每个线程栈约 1MB），导致系统崩溃。
• NIO 解决：通过 Selector 实现“单线程管理多连接”，仅在事件就绪时处理，线程数远小于连接数（如 10 个线程处理 10 万连接），降低资源消耗。

2. 如何用 NIO 实现一个简单的服务器？

核心步骤：

// 1. 创建服务器通道和选择器
ServerSocketChannel serverChannel = ServerSocketChannel.open();
serverChannel.bind(new InetSocketAddress(8080));
serverChannel.configureBlocking(false); // 非阻塞模式
Selector selector = Selector.open();// 2. 注册连接事件
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(); // 避免重复处理if (key.isAcceptable()) {// 3. 处理连接事件SocketChannel clientChannel = serverChannel.accept();clientChannel.configureBlocking(false);clientChannel.register(selector, SelectionKey.OP_READ); // 注册读事件} else if (key.isReadable()) {// 4. 处理读事件SocketChannel clientChannel = (SocketChannel) key.channel();ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);int bytesRead = clientChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();// 处理数据...} else if (bytesRead == -1) {clientChannel.close(); // 连接关闭}}}
}

3. NIO 中的“零拷贝”是什么？如何实现？

• 零拷贝：避免数据在用户态和内核态之间重复拷贝，提升 IO 效率（如大文件传输）。
• 实现：FileChannel 的 transferTo() 方法，通过操作系统的 sendfile 系统调用，直接将文件数据从内核态的磁盘缓冲区传输到网络缓冲区，无需用户态参与。
• 应用：NIO 实现的文件服务器、视频流传输等场景。

四、AIO 与 NIO 的区别

1. AIO 与 NIO 的核心区别？各自的适用场景？

• NIO：非阻塞同步 IO，线程需主动调用 select() 轮询事件是否就绪，仍需线程参与。
• AIO：异步 IO，线程发起读写操作后即可返回，操作完成后由操作系统通知线程（回调函数），无需主动轮询。
• 适用场景：
  • NIO：高并发短连接（如 HTTP 服务器），需处理大量连接但每个连接数据量小。
  • AIO：长连接且 IO 操作耗时（如文件下载、数据库查询），异步等待不阻塞线程。

2. 为什么 AIO 在 Java 中应用不如 NIO 广泛？

• 底层支持差异：Windows 对 AIO 支持较好（IOCP），但 Linux 直到内核 2.6 才支持，且 Java 对 Linux AIO 的封装不完善。
• 编程复杂度：AIO 基于回调，逻辑分散，调试困难；NIO 模型更成熟，框架（如 Netty）已基于 NIO 优化，性能接近 AIO。

五、Netty 相关（NIO 的高级应用）

1. Netty 是什么？为什么比原生 NIO 好用？

• Netty 是基于 NIO 的高性能网络框架，简化了 NIO 的复杂编程（如解决原生 NIO 的 Selector 空轮询 bug、提供编解码器等）。
• 优势：封装 NIO 细节、提供断线重连/心跳检测等功能、支持多种协议（HTTP、WebSocket）、线程模型优化（主从 Reactor 模型）。

2. Netty 的线程模型？如何实现高并发？

• 主从 Reactor 模型：
  • 主 Reactor（Boss 线程）：处理连接请求，将建立的连接分配给从 Reactor。
  • 从 Reactor（Worker 线程）：处理 IO 事件（读写），调用业务逻辑。
• 高并发原因：基于 NIO 多路复用，减少线程数；通过事件驱动和异步处理，避免阻塞；内存池减少对象创建开销。

总结

IO/NIO 面试重点考察 BIO 与 NIO 的本质区别、NIO 三大组件的协作原理、非阻塞与多路复用的实现 及 高并发场景下的 IO 模型选择。回答时需结合底层机制（如系统调用、内核态/用户态）和实战场景（如 Netty 的应用），体现对高性能 IO 的理解。