阻塞和非阻塞、同步和异步、五种IO模型

今天药忘吃喽~ 2022-05-22 10:14 196阅读 0赞

# 阻塞和非阻塞，同步和异步 #

## 1 例子 ##

故事：老王烧开水。

出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。

老王想了想，有好几种等待方式

1.老王用水壶煮水，并且站在那里，不管水开没开，每隔一定时间看看水开了没。－同步阻塞

老王想了想，这种方法不够聪明。

2.老王还是用水壶煮水，不再傻傻的站在那里看水开，跑去寝室上网，但是还是会每隔一段时间过来看看水开了没有，水没有开就走人。－同步非阻塞

老王想了想，现在的方法聪明了些，但是还是不够好。

3.老王这次使用高大上的响水壶来煮水，站在那里，但是不会再每隔一段时间去看水开，而是等水开了，水壶会自动的通知他。－异步阻塞

老王想了想，不会呀，既然水壶可以通知我，那我为什么还要傻傻的站在那里等呢，嗯，得换个方法。

4.老王还是使用响水壶煮水，跑到客厅上网去，等着响水壶自己把水煮熟了以后通知他。－异步非阻塞

老王豁然，这下感觉轻松了很多。

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*  同步和异步
    
    同步就是烧开水，需要自己去轮询（每隔一段时间去看看水开了没），异步就是水开了，然后水壶会通知你水已经开了，你可以回来处理这些开水了。  
    同步和异步是相对于操作结果来说，会不会等待结果返回。
 *  阻塞和非阻塞
    
    阻塞就是说在煮水的过程中，你不可以去干其他的事情，非阻塞就是在同样的情况下，可以同时去干其他的事情。阻塞和非阻塞是相对于线程是否被阻塞。

其实，这两者存在本质的区别，它们的修饰对象是不同的。阻塞和非阻塞是指进程访问的数据如果尚未就绪，进程是否需要等待，简单说这相当于函数内部的实现区别，也就是未就绪时是直接返回还是等待就绪。  
而同步和异步是指访问数据的机制,同步一般指主动请求并等待I/O操作完毕的方式,当数据就绪后在读写的时候必须阻塞,异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务,随后等待I/O,操作完毕的通知,这可以使进程在数据读写时也不阻塞。

## 2 详细介绍 ##

网络IO的模型大致包括下面几种

*  同步模型（synchronous IO）
    
     *  阻塞IO（bloking IO）
     *  非阻塞IO（non-blocking IO）
     *  多路复用IO（multiplexing IO）
     *  信号驱动式IO（signal-driven IO）
 *  异步IO（asynchronous IO）
    
     *  异步IO

网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，IO可以理解为对流的操作。对于一次IO访问，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间，所以一般会经历两个阶段：

1.  等待所有数据都准备好或者一直在等待数据，有数据的时候将数据拷贝到系统内核；
2.  将内核缓存中数据拷贝到用户进程中；

对于socket流而言：

1.  等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区；
2.  把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区中；

### 2.1 阻塞IO ###

#### 2.1.1 介绍 ####

这也是最常用的模型，默认情况下所有的套接字都是 `阻塞` 的；

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我们把recvfrom函数视为系统调用，因为我们正区分进程和内核，系统调用一般都会从在应用进程空间中运行切换到内核空间中运行，一段时间后又再切换回来；

我们可以从图中看到，应用进程从 `进行系统调用` 到 `复制数据报到应用进程的缓冲区完成` 的整段时间内是被阻塞的；在这个过程中，要么正确到达，要么系统调用被信号打断；直到数据报被复制到用户进程完成后，用户进程才解除阻塞的状态，当然，这是用户进程自己进行的阻塞；

#### 2.1.2 优点和缺点 ####

*  优点：能够及时返回数据，无延迟；方便调试；
 *  缺点：需要付出等待的代价；

### 2.2 非阻塞IO ###

#### 2.2.1 介绍 ####

非阻塞，当所请求的I/O操作非得把当前进程设置成睡眠才能完成时，不要把当前进程设置成睡眠，而是返回一个错误信息（数据报没有准备好的情况下），此时当前进程可以做其它的事情，不用阻塞；

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从图中可以得知，前三次系统调用时都没有数据可以返回，内核均返回一个 `EWOULDBLOCK`，并且不会阻塞当前进程，直到第四次询问内核缓冲区是否有数据的时候，此时内核缓冲区中已经有一个准备好的数据，因此将内核数据复制到用户空间，此时系统调用则返回成功；

> 当一个应用进程像这样对一个非阻塞socket循环调用 `recv/recvfrom` 时，则称为轮询；应用进程持续轮询内核，以查看某个操作是否就绪，这么做往往消耗大量的CPU时间。

#### 2.2.2 优点和缺点 ####

*  优点：相较于阻塞模型，非阻塞不用再等待任务，而是把时间花费到其它任务上，也就是这个当前线程同时处理多个任务；
 *  缺点：导致任务完成的响应延迟增大了，因为每隔一段时间才去执行询问的动作，但是任务可能在两个询问动作的时间间隔内完成，这会导致整体数据吞吐量的降低。

### 2.3 IO多路复用 ###

#### 2.3.1 介绍 ####

有了I/O复用，我们就可以调用 `select或poll`，让其阻塞在两个系统调用（1.询问数据是否准备好并且直到数据准备好才返回；2.内核是否把数据全部复制完成到用户进程）中的某一个之上

![2193057-file_1491998838696_160a3.png][]

图中阻塞于 `select` 调用，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件的时候，则调用 `recvfrom` 把所读数据报复制到应用进程缓冲区；

之前的同步非阻塞方式需要用户进程不停的轮询，但是IO多路复用不需要不停的轮询，而是派别人去帮忙循环查询多个任务的完成状态，UNIX/Linux 下的 `select、poll、epoll` 就是干这个的；select调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于---前者可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。select或poll调用之后，会阻塞进程，与blocking IO阻塞不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据（网络上的数据是分组到达的）就会调用用户进程来处理。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。

我认为上面那句话中存在两个重要点：1.对多个socket进行监听，只要任何一个socket数据准备好就返回可读；2.不等一个socket数据全部到达再处理，而是一部分socket的数据到达了就通知用户进程；

其实 `select、poll、epoll` 的原理就是不断的遍历所负责的所有的socket完成状态，当某个socket有数据到达了，就返回可读并通知用户进程来处理；

#### 2.3.2 优点和缺点 ####

*  优点：能够同时处理多个连接，系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降低了系统的维护工作量，节省了系统资源。
 *  缺点：如果处理的连结数目不高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。（因为阻塞可以保证没有延迟，但是多路复用是处理先存在的数据，所以数据的顺序则不管，导致处理一个完整的任务的时间上有延迟）

#### 2.3.3 同步非阻塞和多线程＋同步阻塞 ####

高并发的程序一般使用同步非阻塞方式而非多线程 + 同步阻塞方式。要理解这一点，首先要扯到并发和并行的区别。比如去某部门办事需要依次去几个窗口，办事大厅里的人数就是并发数，而窗口个数就是并行度。也就是说并发数是指同时进行的任务数（如同时服务的 HTTP 请求），而并行数是可以同时工作的物理资源数量（如 CPU 核数）。通过合理调度任务的不同阶段，并发数可以远远大于并行度，这就是区区几个 CPU 可以支持上万个用户并发请求的奥秘。在这种高并发的情况下，为每个任务（用户请求）创建一个进程或线程的开销非常大。而同步非阻塞方式可以把多个 IO 请求丢到后台去，这就可以在一个进程里服务大量的并发 IO 请求。

### 2.4 信号驱动式I/O模型 ###

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首先开启套接字的信号驱动式IO功能，并且通过 `sigaction` 系统调用安装一个信号处理函数，该函数调用将立即返回，当前进程没有被阻塞，继续工作；当数据报准备好的时候，内核则为该进程产生 `SIGIO` 的信号，随后既可以在信号处理函数中调用 `recvfrom` 读取数据报，并且通知主循环数据已经准备好等待处理，也可以通知主循环让它读取数据报；（其实就是一个待读取的通知和待处理的通知）；

### 2.5 异步式I/O模型 ###

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我们调用 `aio_read` 函数，给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小和文件偏移，并且告诉内核当整个操作完成时如何通知我们。该函数调用后立即返回，不被阻塞；

![185128-file_1491989742145_181eb.png][]

### 2.6 比较 ###

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[IO]: http://xuding.blog.51cto.com/4890434/1739649
[I_O]: http://rainybowe.com/blog/2016/09/12/IO%E6%A8%A1%E5%9E%8B%E4%B8%8E%E5%A4%9A%E8%B7%AF%E5%A4%8D%E7%94%A8/index.html
[Linux _IO]: http://www.jianshu.com/p/486b0965c296
[IO_select_poll_epoll]: http://www.jianshu.com/p/dfd940e7fca2