linux：阻塞和非阻塞，同步和异步。

红太狼 2023-07-25 09:47 11阅读 0赞

# 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。

# 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；

## 阻塞IO ##

### 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；

### 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；

## 非阻塞IO ##

### 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；

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

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。

### 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。

## IO多路复用 ##

### 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

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

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；

### 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不一定比使用多线程 + 阻塞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）

### 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。

## 信号驱动式I/O模型 ##

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）；

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## 异步式I/O模型 ##

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；

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2VuX2pva2Vy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

# 总结 #

## 阻塞和非阻塞区别 ##

调用阻塞IO会一直阻塞住对应的进程直到操作完成，而非阻塞IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

## 同步IO和异步IO区别 ##

在说明同步IO和异步IO的区别之前，需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的：

> 同步I/O操作导致请求过程被阻塞，直到该I/O操作完成为止。
> 
> 异步I/O操作不会导致请求进程被阻塞；

`两者的区别就在于`同步`IO做”IO operation”的时候会将process阻塞`。按照这个定义，之前所述的阻塞IO，非阻塞IO，IO 多路复用都属于同步IO。

有人会说，非阻塞IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，`定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作`，就是例子中的recvfrom这个system call。非阻塞IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，`当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被阻塞了`，在这段时间内，进程是被阻塞的。

而异步IO则不一样，`当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成`。在这整个过程中，进程完全没有被阻塞。

**各个IO Model的比较如图所示：**

![输入图片说明][format_png]

通过上面的图片，可以发现非阻塞IO和异步IO的区别还是很明显的。`在非阻塞IO中，虽然进程大部分时间都不会被阻塞，但是它仍然要求进程去主动的check`，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而异步IO则完全不同。`它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知`。在此期间，`用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据`。

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