理解阻塞非阻塞与同步异步

╰半橙微兮° 2022-06-15 02:10 289阅读 0赞

当你去查阅Node相关的资料时，经常会看到异步，非阻塞，回调， 事件等关键字，于是你会感觉好像异步与非阻塞是一回事。从开发者的角度来看异步与非阻塞都实现了并行IO的目的，但从操作系统内核来看，阻塞非阻塞与同步异步是有着本质的区别。

本文笔者根据自己熟悉的Java和JS两种语言来作这方面的解释。首先先通过IO流读取文件的操作来两种语言的区别:

NodeJS

var fs = require('fs');
    fs.readFile('a.txt','utf8',function(err,data){
        
        console.log(data);
    });
    xxxx

Java

InputStream in = new FileInputStream("a.txt" );
    byte bu [] = new byte[1024];
    int len =0;
    while ((len =in .read(bu ))!=-1){
         System. out .println(new String(bu ,0,len ));
    }
    xxxx

分析上述两段代码，Java的编写很符合大部分人的阅读编写习惯，一直等到文件读完才执行代码。但NodeJS就不一样了，它调用读文件的readFile方法后给参数3又指定了一个函数，因此当你运行这段代码后，会出现readFile()方法执行的代码都在执行了，而打印文件内容的代码没有执行。这就是Node的特性异步操作，同理，Java就是同步操作。

### 阻塞非阻塞 ###

上述的**IO操作对于操作系统而言，仅仅有两种模式：阻塞与非阻塞。**  
阻塞和非阻塞关注的是线程程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。  
调用阻塞IO时，应用程序需要等待内核的返回，如下图所示:

![这里写图片描述][SouthEast]  
阻塞IO一定是等待OS内核完成磁盘寻道，读取数据，复制数据到内存中之后才返回给应用进程。阻塞IO造成CPU等待IO，减低了CPU的执行效率。因此，为了提高性能，内核提高了非阻塞IO，与阻塞IO的区别就是调用之后OS会立即返回。  
**非阻塞IO的立即返回是不携带数据的，返回的意义是为了避免浪费CPU的资源。**但此时非阻塞IO操作并没有完成，立即返回的也不是应用程序需要的数据而仅仅是当前调用的状态。**为了获取完整的数据，应用程序就需要重复调用IO操作来确认是否完成，这个重复判断操作是否完成的过程就叫轮询。**  
任何技术都不是非常完美的，阻塞IO导致CPU等待浪费，而非阻塞IO却引入了轮询问题。我们先看轮询技术是如何演进的：

#### read ####

最原始 ，性能最低的方法，通过重复调用来检查IO的状态来完成数据的获取  
![这里写图片描述][SouthEast 1]

#### select ####

select是在read的基础上改进的一种方案，通过对文件描述符上的事件状态来进行判断。select轮询具有一个较弱的限制，那就是由于它采用一个1024长度的数组来存储状态，所以它最多可以同时检查1024个文件描述符。  
![这里写图片描述][SouthEast 2]

#### poll ####

方案较select有所改进，采用链表的方式避免数组长度的限制，其次它能避免不需要的检查。但是当文件描述符较多的时候，它的性能还是十分低下的。  
![这里写图片描述][SouthEast 3]

#### epoll ####

epoll是Linux下效率最高的I/O事件通知机制，在进入轮询的时候如果没有检查到I/O事件，将会进行休眠，直到事件发生将它唤醒。它是真实利用了事件通知、执行回调的方式，而不是遍历查询，所以不会浪费CPU，执行效率较高。  
![这里写图片描述][SouthEast 4]  
总结就是:阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。  
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

### 同步异步 ###

同步异步与阻塞/非阻塞不同的是，它是在编程语言的API层次上，是供开发者来使用的，与API到底是阻塞/非阻塞的调用OS是没有关系的。  
同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous communication/ asynchronous communication)  
所谓同步，就是在发出一个**调用**时，在没有得到结果之前，该**调用**就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。如前面Java例子代码中的read方法。换句话说，就是由**调用者**主动等待且会一直等待这个**调用**的结果。  
而异步则是相反，**调用**在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在**调用**发出后，**被调用者**通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。如前面的NodeJs例子，调用fs.readFile之后，是通过回调函数来处理。

#### 理想的异步IO ####

完美的异步I/O应该是应用程序发起非阻塞调用，无须通过遍历或者事件唤醒等方式轮询，可以直接处理下一个任务，只需在I/O完成后通过信号或回调将数据传递给应用程序即可。

#### 异步IO的实现 ####

Node，Java作为两种类型的语言:单线程与多线程对于异步IO的实现是有着不同的方法。  
对于多线程而言通过让部分线程进行阻塞I/O或者非阻塞I/O加轮询技术来完成数据获取，让一个线程进行计算处理，通过线程之间的通信将I/O得到的数据进行传递，这就实现了异步I/O。

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