什么是同步與異步跌造、阻塞與非阻塞

引用知乎 怎樣理解阻塞非阻塞與同步異步的區(qū)別定罢？ 上面的一個回答，很生動的說明了同步異步淳玩，阻塞非阻塞之間的區(qū)別聯(lián)系：

老張愛喝茶直撤，廢話不說，煮開水蜕着。

出場人物：老張谋竖，水壺兩把（普通水壺，簡稱水壺承匣；會響的水壺蓖乘，簡稱響水壺）。

1 老張把水壺放到火上韧骗，立等水開嘉抒。（同步阻塞）

老張覺得自己有點傻

2 老張把水壺放到火上，去客廳看電視袍暴，時不時去廚房看看水開沒有些侍。（同步非阻塞）

老張還是覺得自己有點傻，于是變高端了政模，買了把會響笛的那種水壺娩梨。水開之后，能大聲發(fā)出嘀~~~~的噪音览徒。

3 老張把響水壺放到火上狈定，立等水開。（異步阻塞）

老張覺得這樣傻等意義不大

4 老張把響水壺放到火上习蓬，去客廳看電視纽什，水壺響之前不再去看它了，響了再去拿壺躲叼。（異步非阻塞）

老張覺得自己聰明了芦缰。

所謂同步異步，只是對于水壺而言枫慷。普通水壺让蕾，同步浪规；響水壺，異步探孝。雖然都能干活笋婿，但響水壺可以在自己完工之后，提示老張水開了顿颅。這是普通水壺所不能及的缸濒。同步只能讓調(diào)用者去輪詢自己（情況2中），造成老張效率的低下粱腻。

所謂阻塞非阻塞庇配，僅僅對于老張而言。立等的老張绍些，阻塞捞慌；看電視的老張，非阻塞柬批。情況1和情況3中老張就是阻塞的啸澡，媳婦喊他都不知道。雖然3中響水壺是異步的萝快，可對于立等的老張沒有太大的意義锻霎。所以一般異步是配合非阻塞使用的，這樣才能發(fā)揮異步的效用揪漩。

看上面的例子旋恼，我們再來關注Linux網(wǎng)絡IO模型，然后結(jié)合這個例子去理解奄容。

Linux網(wǎng)絡IO模型

Unix提供了五種IO模式冰更，分別是：

• 阻塞IO

• 非阻塞IO

• IO復用

• 信號驅(qū)動IO

• 異步IO

在之前的學習中我們也了解了從用戶進程到底層硬件執(zhí)行IO的過程，以read為例：

image.png

數(shù)據(jù)需要從硬件設備拷貝到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)昂勒，然后從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進程空間蜀细。

我們把數(shù)據(jù)需要從硬件設備拷貝到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)這個過程類比為燒水，從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進程空間這個過程類比為用燒好的水泡茶戈盈。

阻塞IO

image.png

阻塞IO是最常用的IO模型奠衔，我們在java中調(diào)用傳統(tǒng)BIO(InputStream、OutpuytStream)的讀寫方法都是這種IO模型塘娶。

觀察上圖归斤，在進程空間中調(diào)用recvfrom，其系統(tǒng)調(diào)用直到數(shù)據(jù)從硬件設備拷貝到內(nèi)核緩沖區(qū)并且從內(nèi)核拷貝到用戶進程空間時才會返回刁岸，在此期間一直是阻塞的脏里，進程在從調(diào)用recvfrom到他返回這段時間一直都是阻塞的，故稱為阻塞IO虹曙。

阻塞IO對應了我們上面提到的同步阻塞迫横。在這種IO模式下整個過程相當于使用不會響的普通水壺燒水番舆，并且老張一直在旁邊盯著，干不了其他事矾踱。水燒好后老張再去泡茶恨狈。整個過程是同步阻塞的。

在阻塞IO模式下介返，在同一個線程當中拴事，我們對于多個連接沃斤，只能依次處理：

while true {
    for i in stream[] {
        //可能會阻塞很長時間
        read until available 
    }
}

非阻塞IO

image.png

用戶進程發(fā)起一個recvfrom調(diào)用的時候圣蝎，如果內(nèi)核緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)還沒有準備好(沒有完全從硬件拷貝到內(nèi)核)，那么他不會阻塞用戶進程衡瓶，而是立刻返回一個error徘公。用戶發(fā)起一個recvfrom操作之后，不需要等待哮针，而是馬上會得到一個結(jié)果关面，用戶可以判斷這個結(jié)果，如果是一個error十厢，表示數(shù)據(jù)還沒有準備好等太，于是可以再次發(fā)起recvfrom操作，一旦內(nèi)核數(shù)據(jù)準備好了蛮放，就可以把數(shù)據(jù)拷貝到用戶進程空間缩抡，然后返回。

這種IO模型稱之為非阻塞IO包颁，整個過程可以類比為：在這種IO模式下調(diào)用recvfrom相當于使用不會響的普通水壺燒水柳恐，老張時不時跑到廚房看看水燒開了沒(這個過程是同步非阻塞的)栗恩，如果水燒開了，他就用燒開的水泡茶(相當于從內(nèi)核copy數(shù)據(jù)到用戶空間這一段，這個過程其實是同步阻塞的)

在非阻塞IO模式下歼跟，我們發(fā)現(xiàn)可以在一個線程中處理多個連接了：

// 忙輪詢
while true {
    for i in stream[]; {
        // 如果數(shù)據(jù)沒有準備好，就立即返回愧驱，處理下一個流
        read until unavailable 
    }
}

我們只要不停的把所有流從頭到尾問一遍派桩，又從頭開始。這樣就可以處理多個流了贵少，但這樣的做法顯然不好呵俏，因為如果所有的流都沒有數(shù)據(jù)，那么只會白白浪費CPU春瞬。

為了避免CPU空轉(zhuǎn)柴信，可以引進了一個代理: select或poll(兩者本質(zhì)上相同)

IO復用

image.png

Linux 提供了select/poll，進程將一個或多個fd傳遞給select或poll系統(tǒng)調(diào)用宽气，并且阻塞在select或poll方法上随常。同時潜沦，kernel會偵測所有select負責的fd是否處于就緒狀態(tài)，如果有任何一個fd就緒绪氛，select或poll就會返回唆鸡，這個時候用戶進程再調(diào)用recvfrom，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進程空間枣察。

這個圖和blocking IO的圖有些相似争占，但是還有一些區(qū)別。因為這里需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)序目，而blocking IO只調(diào)用了一個system call (recvfrom)臂痕。但是，用select的優(yōu)勢在于它可以同時處理多個connection猿涨。

while true {
    // 在select上阻塞
    select(streams[])
    // 無差別輪詢
    for i in streams[] {
        read until unavailable
    }
}

于是握童，如果沒有I/O事件產(chǎn)生，我們的程序就會阻塞在select處叛赚。但是依然有個問題澡绩，我們從select那里僅僅知道了，有I/O事件發(fā)生了俺附，但卻并不知道是那幾個流(可能有一個肥卡，多個，甚至全部)事镣，我們只能無差別輪詢所有流步鉴，找出能讀出數(shù)據(jù)，或者寫入數(shù)據(jù)的流蛮浑，對他們進行操作唠叛。使用select，我們有O(n)的無差別輪詢復雜度沮稚，同時處理的流越多艺沼，每一次無差別輪詢時間就越長。

Linux還提供了一個epoll系統(tǒng)調(diào)用蕴掏，不同于忙輪詢和無差別輪詢障般，epoll之會把哪個流發(fā)生了怎樣的I/O事件通知我們。此時我們對這些流的操作都是有意義的(復雜度降低到了O(1))盛杰。

// 事先調(diào)用epoll_ctl注冊感興趣的事件到epollfd
while true {
    // 返回觸發(fā)注冊事件的流
    active_stream[] = epoll_wait(epollfd)
    // 無須遍歷所有的流
    for i in active_stream[] {
        read or write till
    }
}

信號驅(qū)動IO

首先開啟套接口信號驅(qū)動IO功能挽荡，并通過系統(tǒng)調(diào)用sigaction執(zhí)行一個信號處理函數(shù)，此系統(tǒng)調(diào)用立即返回即供。當數(shù)據(jù)準備就緒時定拟，就為該進程生成一個sigio信號，通過信號回調(diào)通知進程逗嫡。進程調(diào)用recvfrom讀取數(shù)據(jù)青自，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核緩沖區(qū)拷貝到用戶進程空間株依。

上面的過程可以類比為：老張使用會響的水壺燒水，然后就去客廳看電視了延窜。水燒好后水壺響起來(這個過程是異步非阻塞的)恋腕，老張再來廚房用燒好的水泡茶(這個過程是同步阻塞的)。

異步IO

image.png

用戶進程發(fā)起recvfrom操作之后逆瑞，立刻就可以開始去做其它的事荠藤。而另一方面，從kernel的角度获高，當它收到一個asynchronous read之后哈肖，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進程產(chǎn)生任何block谋减。然后牡彻，kernel會等待數(shù)據(jù)準備完成扫沼，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存出爹，當這一切都完成之后，kernel會給用戶進程發(fā)送一個signal缎除，告訴它read操作完成了严就。

這種IO模式與信號驅(qū)動IO的區(qū)別在于：信號驅(qū)動IO由內(nèi)核通知我們什么時候可以開始一個IO操作，異步IO則由內(nèi)核告訴我們IO操作何時完成器罐。

異步IO模式可以類比為：在這種IO模式下整個過程相當于使用會響的水壺燒水梢为，并且，這個水壺更加智能轰坊，水燒好后可以自動泡茶铸董，然后發(fā)出聲響通知老張。老張把水放到火上就去客廳看電視了肴沫，水燒好并且茶葉泡好之后粟害，水壺發(fā)出聲響通知老張。

參考

Linux IO模式及 select颤芬、poll悲幅、epoll詳解

怎樣理解阻塞非阻塞與同步異步的區(qū)別？

epoll 或者 kqueue 的原理是什么站蝠？

《Netty權(quán)威指南》 電子工業(yè)出版社