同步与异步IO、阻塞与非阻塞IO

一时失言乱红尘 2022-08-13 13:52 258阅读 0赞

最近研究swoole，系统通过来架设公司的api系统。但是一直以来对于  同步 、异步 、阻塞和非阻塞没有一个系统化的了解。之前都是星星点点的了解一些这方面的概念。

没有彻底了解，每次需要在使用和调研相关的中间件时都是似懂非懂的用着，解决问题，但是心理还真不爽。今天在网络上找了一些资料，决定花半天时间一定把这四个玩意儿测底了解清楚。

[IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞 （亡羊补牢篇）][IO - _]

很多时候我们常常看到同步与异步，阻塞与非阻塞的出现。有的地方直接将同步与阻塞画上了等号。异步与非阻塞画上了等号。事实上这是不对的。**同步不等于阻 塞，而异步也不等于非阻塞。**下面就来仔细的看看同步与异步、阻塞与非阻塞的概念差别，及他们的组合应用。  
**同步：**所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用（例如sin, isdigit等）。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。最常见的例子就是 SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，这个函数不返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的 LRESULT值返回给调用者

**异步：**异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。以 CAsycSocket类为例（注意，CSocket从CAsyncSocket派生，但是起功能已经由异步转化为同步），当一个客户端通过调用 Connect函数发出一个连接请求后，调用者线程立刻可以朝下运行。当连接真正建立起来以后，socket底层会发送一个消息通知该对象。  
这里 \\提到执行部件和调用者通过三种途径返回结果：状态、通知和回调。可以使用哪一种依赖于执行部件的实现，除非执行部件提供多种选择，否则不受调用者控制。如 果执行部件用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这其实是一 种很严重的错误）。如果是使用通知的方式，效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别

**阻塞：**阻塞调用是指调用结果返回之前，**当前线程会被挂起**。函数只有在 得到结果之后才会返回。  
有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的\[cpu资源没有调度给其他的线程\]，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如，我们在 CSocket中调用Receive函数，如果缓冲区中没有数据，这个函数就会一直等待，直到有数据才返回。而此时，当前线程还会继续处理各种各样的消 息。如果主窗口和调用函数在同一个线程中，除非你在特殊的界面操作函数中调用，其实主界面还是应该可以刷新。  
socket接收数据的另外一个函数 recv则是一个阻塞调用的例子。当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用该函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

**非阻塞：**非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

上面这些概念都是教科书的概念，下面谈谈个人的理解。所谓同步就是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，一直会到函数（任务）完成。进程继续往下执行。而异步这不会这样，异步情况下是当一个进程发 起一个函数（任务）调用的时候，不会等函数返回，而是继续往下执行当，函数返回的时候通过状态、通知、事件。等方式通知进程任务完成。

而阻塞和非阻塞的概念相对明了多了。阻塞是当请求不能满足的时候就试进程挂起，非阻塞则是直接返回。

**它们的组合：（网络装载）**

图 2 给出了传统的阻塞 I/O 模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。**在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正 在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返 回）。**

**图 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程**

![24604291_1.png][]

从应用程序的角度来说，read 调用会延续很长时间。实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

PS. 我理解这里的意思是，read请求是阻塞的，也没有**异步**通知机制，因为应用程序一直在这个过程中等待，即一直在主动查询，所以是**同步**的。（顺序）

**同步**非阻塞 I/O

**同步**阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是**同步**非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操作不会立即完成，read 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），如图 3 所示。

**图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程**

![24604291_2.png][]

非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高，**因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙 碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。**正如图 3 所示的一样，这个方法可以引入 I/O 操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

PS. 我理解这里的意思是，read请求是非阻塞的，但是这里没有**异步**通知机制，而需要应用程序主动查询，所以是**同步**的。（多次试探）

**异步**阻塞 I/O

另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞 I/O。在这种模型中，**配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作**。使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用 以及是否发生错误的通知。

**图 4. 异步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)**

![24604291_3.png][]

select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是**异步**通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的 I/O 操作来说不建议使用。

PS. 我理解这里的意思是，read请求实际上是非阻塞的，但是在**异步**通知方式上，采用了阻塞的slect系统调用，导致应用程序被阻塞，所以虽然**异步**，但任然阻 塞。（等待通知，自己完成）

**异步**非阻塞 I/O（AIO）

最后，**异步**非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。**读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读 操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执 行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。**

**图 5. 异步非阻塞 I/O 模型的典型流程**

![24604291_4.png][]

在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。

PS. 我理解这里的意思是，read请求实际上是非阻塞的，但是在**异步**通知方式上，采用了回调函数，无需应用程序再去处理。（委托完成）

**异步** I/O 的动机

从前面 I/O 模型的分类中，我们可以看出 AIO 的动机。阻塞模型要求在 I/O 操作开始时阻塞应用程序，这意味着不可能同时重叠进行处理和 I/O 操作。**同步**非阻塞模型允许处理和 I/O 操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查 I/O 操作的状态。这样就剩下**异步**非阻塞 I/O 了，它允许处理和 I/O操作重叠进行，包括 I/O 操作完成的通知。

这里我要特别强调一下异步IO和非阻塞IO的区别，异步IO就是把IO提交给系统，让系统替你做，做完了再 用某种方式通知你；非阻塞IO就是你要通过某种方式不定时地向系统询问你是否可以开始做某个IO，当可以开始后，还是要自己来完成IO

这个问题,没弄清爽地话,貌似很不好理解一些问题.

1.Send分为阻塞和非阻塞，阻塞模式下，如果正常的话，会直到把你所需要发送的数据发完再返回；非阻塞，会根据你的socket在底层的可用缓 冲区的大 小，来将你的缓冲区当中的数据拷贝过去，有多大缓冲区就拷贝多少，缓冲区满了就立即返回，这个时候的返回值，只表示拷贝到缓冲区多少数据，但是并不代表发 送多少数据，同时剩下的部分需要你再次调用send才会再一次拷贝到底层缓冲区。

2.同步和异步是针对通讯的工作模式，阻塞和非阻塞是指socket的I/O操作。  
实际上对于socket，只存在阻塞和非阻塞，同步与异步是在程序实现上有所不同。  
以阻塞的方式执行recv函数，在没有收到数据前，此函数是不会返回的，所以这很容易执行函数的线程处于等待I/O上的数据状态，然后被挂起。非阻塞就不 一样，执行recv时候不管有没有数据都立即返回，有数据时返回数据，没数据时返回错误。非阻塞可以带来程序的高效，也带来了写程序中必须注意的地方，非 阻塞情况下，发送与接收数据时候，要用户自己管理自己的缓冲区，并且要记录发送与接受的位置，因为很可能发送与接受数据的任务不能一次完成，需要多次调用 send和recv才可以完成。  
本来同步异步是用来表示通讯模式的，通信的同步，主要是指客户端在发送请求后，必须得在服务端有回应后才发送下一个请求。所以这个时候的所有请求将会在服 务端得到同步。通信的异步，指客户端在发送请求后，不必等待服务端的回应就可以发送下一个请求，这样对于所有的请求动作来说将会在服务端得到异步，这条请 求的链路就象是一个请求队列，所有的动作在这里不会得到同步的。但是个人感觉，在说到socket的同步异步时候，同步跟阻塞概念差不多，都是有了结果才 返回，异步则是告诉系统我要recv数据，然后马上返回，等待数据来了后，系统跟程序说数据到了，然后程序再recv数据。引用在网上看到的比较好的描述 “阻塞 block 是指，你拨通某人的电话，但是此人不在，于是你拿着电话等他回来，其间不能再用电话。同步大概和阻塞差不多。非阻塞 nonblock 是指，你拨通某人的电话，但是此人不在，于是你挂断电话，待会儿再打。至于到时候他回来没有，只有打了电话才知道。即所谓的“轮询 / poll”。异步是指，你拨通某人的电话，但是此人不在，于是你叫接电话的人告诉那人(leave a message)，回来后给你打电话（call back）。”

[IO - _]: http://blog.csdn.net/ahuang1900/article/details/39209689
[24604291_1.png]: http://image52.360doc.com/DownloadImg/2012/06/0415/24604291_1.png
[24604291_2.png]: http://image52.360doc.com/DownloadImg/2012/06/0415/24604291_2.png
[24604291_3.png]: http://image52.360doc.com/DownloadImg/2012/06/0415/24604291_3.png
[24604291_4.png]: http://image52.360doc.com/DownloadImg/2012/06/0415/24604291_4.png