理解同步、异步、阻塞和非阻塞

女爷i 2022-04-04 12:22 595阅读 0赞

**1.前言**

同步与异步是对应的，它们是线程之间的关系，两个线程之间要么是同步的，要么是异步的。

阻塞与非阻塞是对同一个线程来说的，在某个时刻，线程要么处于阻塞，要么处于非阻塞。

阻塞是使用同步机制的结果，非阻塞则是使用异步机制的结果。

因其采用异步非阻塞的模型而构建，Node.js 得以能充分利用 CPU 资源，具有极强的处理高并发请求的能力。

首先讨论下使用事件驱动，异步编程的优点：

充分利用了系统资源，执行代码无须阻塞等待某种操作完成，有限的资源可以用于其他的任务。其非常适合于后端的网络服务编程。

在服务器开发中，并发的请求处理是个大问题，阻塞式的函数会导致资源浪费和时间延迟。通过事件注册、异步函数，开发人员可以提高资源的利用率，性能也会改善。

其nginx和node.js处理并发都是采用的事件驱动异步非阻塞模式。其中nginx中处理并发用的是epoll，poll,queue等方式，node.js使用的是libev，它们对大规模的HTTP请求处理的都很好。

**2.阻塞和非阻塞**

从简单的开始，我们以经典的读取文件的模型举例。（对操作系统而言，所有的输入输出设备都被抽象成文件。）

在发起读取文件的请求时，应用层会调用系统内核的 I/O 接口。

如果应用层调用的是阻塞型 I/O，那么在调用之后，应用层即刻被挂起，一直出于等待数据返回的状态，直到系统内核从磁盘读取完数据并返回给应用层，应用层才用获得的数据进行接下来的其他操作。

如果应用层调用的是非阻塞 I/O，那么调用后，系统内核会立即返回（虽然还没有文件内容的数据），应用层并不会被挂起，它可以做其他任意它想做的操作。（至于文件内容数据如何返回给应用层，这已经超出了阻塞和非阻塞的辨别范畴。）

这便是（脱离同步和异步来说之后）阻塞和非阻塞的区别。总结来说，是否是阻塞还是非阻塞，关注的是接口调用（发出请求）后等待数据返回时的状态。被挂起无法执行其他操作的则是阻塞型的，可以被立即「抽离」去完成其他「任务」的则是非阻塞型的。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

阻塞调用：比如 socket 的 recv()，调用这个函数的线程如果没有数据返回，它会一直阻塞着，也就是 recv() 后面的代码都不会执行了，程序就停在 recv() 这里等待，所以一般把 recv() 放在单独的线程里调用。

非阻塞调用：比如非阻塞socket 的 send()，调用这个函数，它只是把待发送的数据复制到TCP输出缓冲区中，就立刻返回了，线程并不会阻塞，数据有没有发出去 send() 是不知道的，不会等待它发出去才返回的。

**3.同步和异步**

阻塞和非阻塞解决了应用层等待数据返回时的状态问题，那系统内核获取到的数据到底如何返回给应用层呢？这里不同类型的操作便体现的是同步和异步的区别。

对于同步型的调用，应用层需要自己去向系统内核问询，如果数据还未读取完毕，那此时读取文件的任务还未完成，应用层根据其阻塞和非阻塞的划分，或挂起或去做其他事情（所以同步和异步并不决定其等待数据返回时的状态）；如果数据已经读取完毕，那此时系统内核将数据返回给应用层，应用层即可以用取得的数据做其他相关的事情。

而对于异步型的调用，应用层无需主动向系统内核问询，在系统内核读取完文件数据之后，会主动通知应用层数据已经读取完毕，此时应用层即可以接收系统内核返回过来的数据，再做其他事情。

这便是（脱离阻塞和非阻塞来说之后）同步和异步的区别。也就是说，是否是同步还是异步，关注的是任务完成时消息通知的方式。由调用方盲目主动问询的方式是同步调用，由被调用方主动通知调用方任务已完成的方式是异步调用。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

**附注：同步、异步、阻塞和非阻塞总结：**

同步、异步：

概念：消息的通知机制  
解释：涉及到IO通知机制；所谓同步，就是发起调用后，被调用者处理消息，必须等处理完才直接返回结果，没处理完之前是不返回的，调用者主动等待结果；所谓异步，就是发起调用后，被调用者直接返回，但是并没有返回结果，等处理完消息后，通过状态、通知或者回调函数来通知调用者，调用者被动接收结果。

阻塞、非阻塞：

概念：程序等待调用结果时的状态  
解释：涉及到CPU线程调度；所谓阻塞，就是调用结果返回之前，该执行线程会被挂起，不释放CPU执行权，线程不能做其它事情，只能等待，只有等到调用结果返回了，才能接着往下执行；所谓非阻塞，就是在没有获取调用结果时，不是一直等待，线程可以往下执行，如果是同步的，通过轮询的方式检查有没有调用结果返回，如果是异步的，会通知回调。

**4.同步、异步、阻塞和非阻塞比较**

同步的定义看起来跟阻塞很像，但是同步跟阻塞是两个概念，同步调用的时候，线程不一定阻塞，调用虽然没返回，但它还是在运行状态中的，CPU很可能还在执行这段代码，而阻塞的话，它就肯定不在CPU中跑这个代码了。这就是同步和阻塞的区别。同步是肯定可以在，阻塞是肯定不在。

异步和非阻塞的定义比较像，两者的区别是异步是说调用的时候结果不会马上返回，线程可能被阻塞起来，也可能不阻塞，两者没关系。非阻塞是说调用的时候，线程肯定不会进入阻塞状态。

上面两组概念，就有4种组合。

1.同步阻塞调用：得不到结果不返回，线程进入阻塞态等待。

2.同步非阻塞调用：得不到结果不返回，线程不阻塞一直在CPU运行。

3.异步阻塞调用：去到别的线程，让别的线程阻塞起来等待结果，自己不阻塞。

4.异步非阻塞调用：去到别的线程，别的线程一直在运行，直到得出结果。

**5.Node.js的异步非阻塞模型**

完整来说，一个最高效且理想的文件读取异步非阻塞模型应该是这样的：应用层发起调用后系统内核立即返回（还没有文件内容数据），应用层继续做其他无关的事情，在系统内核从磁盘读取完数据之后主动通知应用层任务已完成，应用层此时接收系统内核返回的数据，然后继续做其他相关或不相关的事情。

可以看到，在这个模型中，没有无谓的挂起、休眠与等待，也没有盲目无知的问询与检查，应用层做到不等候片刻的最大化利用自身的资源，系统内核也十分「善解人意」的在完成任务后主动通知应用层来接收任务成果。

Node.js 是不是就是这样实现的呢？是，也不是。

现实总是比理想骨感，系统内核并没有理想中那样「善解人意」。**异步模型的内核调用在各个平台上实现不一，而且各有各的问题，所以实际上， Node.js 其实是借助多线程来模拟实现了上述理想的异步非阻塞模型。**

有人可能有疑问，前面不是说 Node.js 是单线程的吗？

实际上单线程是对用户（使用 Node.js 进行上层开发的程序员，而不是开发 Node.js 的人员）而言的。Node.js 在底层对多个 I/O 操作是借助多线程实现异步非阻塞的，具体来说，Node.js 总是存在一个主线程，用来管理调度 I/O 线程并进行运算，而其他的线程都是 I/O 线程。I/O 线程在主线程的调度下与系统内核进行交互完成完成 I/O 操作并把数据返回给主线程，而主线程对 I/O 线程的调度就完全是上述异步非阻塞的（至于 I/O 线程是异步还是同步、阻塞还是非阻塞，已经不重要了，因为它不影响主线程的效率，只要它能按时返回预期的数据就行）。我们平时所说的 Node.js 是单线程的，就是指 Node.js 的主线程。I/O 线程完全是对用户屏蔽的，所以用户根本无需关心。

这也解释了为什么我们要避免书写计算密集型或者阻塞的代码，一旦主线程被阻塞，那整个应用就是真的都被阻塞了。

**6. 场景举例与总结**

最后，再来举一个我们日常的例子来加深对这几个概念的理解。

假设小明需要在网上下载一个软件：

*  如果小明点击下载按钮之后，就一直干瞪着进度条不做其他任何事情直到软件下载完成，这是同步阻塞；
 *  如果小明点击下载按钮之后，就一直干瞪着进度条不做其他任何事情直到软件下载完成，但是软件下载完成其实是会「叮」的一声通知的（但小明依然那样干等着），这是异步阻塞；（不常见）
 *  如果小明点击下载按钮之后，就去做其他事情了，不过他总需要时不时瞄一眼屏幕看软件是不是下载完成了，这是同步非阻塞；
 *  如果小明点击下载按钮之后，就去做其他事情了，软件下载完之后「叮」的一声通知小明，小明再回来继续处理下载完的软件，这是异步非阻塞。

相信看完以上这个案例之后，这几个概念已经能够分辨得很清楚了。

总的来说，同步和异步关注的是任务完成消息通知的机制，而阻塞和非阻塞关注的是等待任务完成时请求者的状态。

**7.并行和并发**

并发是指一个时间段内，有几个程序都在同一个CPU上运行，但任意一个时刻点上只有一个程序在处理机上运行。

并行是指一个时间段内，有几个程序都在几个CPU上运行，任意一个时刻点上，有多个程序在同时运行，并且多道程序之间互不干扰。

两者区别如下图：

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并发是多个程序在一个CPU上运行，CPU在多个程序之间快速切换，微观上不是同时运行，任意一个时刻只有一个程序在运行，但宏观上看起来就像多个程序同时运行一样，因为CPU切换速度非常快，时间片是64ms（每64ms切换一次，不同的操作系统有不同的时间），人类的反应速度是100ms，你还没反应过来，CPU已经切换了好几个程序了。

并行是多个程序在多个CPU上同时运行，任意一个时刻可以有很多个程序同时运行，互不干扰。

CPU调度策略：  
1.先来先服务-时间片论转调度  
2.优先级调度  
3.最短作业优先  
4.最高响应比优先  
5.多级反馈队列调度

参考文章：

[http://maples7.com/2016/08/24/understand-sync-async-and-blocking-non-blocking/][http_maples7.com_2016_08_24_understand-sync-async-and-blocking-non-blocking]  
[https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7453390][https_blog.csdn.net_hguisu_article_details_7453390]  
[https://blog.csdn.net/linhuaiyang/article/details/68483222?\#commentBox][https_blog.csdn.net_linhuaiyang_article_details_68483222_commentBox]  
[https://www.cnblogs.com/-900401/p/4015048.html][https_www.cnblogs.com_-900401_p_4015048.html]  
[https://blog.csdn.net/sinat\_35512245/article/details/53836580][https_blog.csdn.net_sinat_35512245_article_details_53836580]

还可以参考：[https://blog.csdn.net/ZhengKehang/article/details/80624042][https_blog.csdn.net_ZhengKehang_article_details_80624042]

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[http_maples7.com_2016_08_24_understand-sync-async-and-blocking-non-blocking]: http://maples7.com/2016/08/24/understand-sync-async-and-blocking-non-blocking/
[https_blog.csdn.net_hguisu_article_details_7453390]: https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7453390
[https_blog.csdn.net_linhuaiyang_article_details_68483222_commentBox]: https://blog.csdn.net/linhuaiyang/article/details/68483222?#commentBox
[https_www.cnblogs.com_-900401_p_4015048.html]: https://www.cnblogs.com/-900401/p/4015048.html
[https_blog.csdn.net_sinat_35512245_article_details_53836580]: https://blog.csdn.net/sinat_35512245/article/details/53836580
[https_blog.csdn.net_ZhengKehang_article_details_80624042]: https://blog.csdn.net/ZhengKehang/article/details/80624042