同步异步和阻塞非阻塞的区别

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吐槽

早上五点半胃疼醒了，去医院噼里啪啦检查了一天花了1500啥也没检查出来，继续疼。在排队的时候刷到知乎上的这个问题感觉似懂非懂，这里总结一下看到的几个比较好的解释。

一. I/O模型

  • 阻塞式I/O
  • 非阻塞式I/O
  • I/O复用（select，poll，epoll…）
  • 信号驱动式I/O（SIGIO）
  • 异步I/O（POSIX的aio_系列函数）

一个输入操作一般有两个不同的阶段：

  1. 等待数据准备好
  2. 从内核到进程拷贝数据

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。

1. 阻塞式I/O模型

默认情况下，所有套接字都是阻塞的。下面我们以阻塞套接字的recvfrom的的调用图来说明阻塞。 标红的这部分过程就是阻塞，直到阻塞结束recvfrom才能返回。

2.非阻塞式I/O

以下这句话很重要：进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核，当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把进程投入睡眠，而是返回一个错误。看看非阻塞的套接字的recvfrom操作如何进行,可以看出recvfrom总是立即返回。

3.I/O多路复用

虽然I/O多路复用的函数也是阻塞的，但是其与以上两种还是有不同的，I/O多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。

4.信号驱动式I/O

见得少，直接给出原图

5. 异步I/O

这类函数的工作机制是告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到用户空间）完成后通知我们。如图所示，注意红线标记处说明在调用时就可以立马返回，等函数操作完成会通知我们。

区别

前四种I/O模型都是同步I/O操作，他们的区别在于第一阶段，而他们的第二阶段是一样的：在数据从内核复制到应用缓冲区期间（用户空间），进程阻塞于recvfrom调用。相反，异步I/O模型在这两个阶段都要处理。书上也有一副很好的图解释了

  • 同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成
  • 异步I/O操作：不导致请求进程阻塞

阻塞，非阻塞：进程/线程要访问的数据是否就绪，进程/线程是否需要等待；

同步，异步：访问数据的方式，同步需要主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞；异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写。

这里有个来自知乎的例子：
老张爱喝茶，废话不说，煮开水。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）。

  1. 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）老张觉得自己有点傻
  2. 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。
  3. 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）老张觉得这样傻等意义不大
  4. 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）

老张觉得自己聪明了。所谓同步异步，只是对于水壶而言。普通水壶，同步；响水壶，异步。虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。立等的老张(被挂起)，阻塞；看电视的老张，非阻塞。情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。

二. IO复用

这里一开始可能看不出来IO复用比之前阻塞IO有哪些好处，这里也给出一个在知乎上看的解释：

假设你是一个机场的空管， 你需要管理到你机场的所有的航线， 包括进港，出港， 有些航班需要放到停机坪等待，有些航班需要去登机口接乘客。
你会怎么做?
最简单的做法，就是你去招一大批空管员，然后每人盯一架飞机， 从进港，接客，排位，出港，航线监控，直至交接给下一个空港，全程监控。
那么问题就来了：
很快你就发现空管塔里面聚集起来一大票的空管员，交通稍微繁忙一点，新的空管员就已经挤不进来了。 空管员之间需要协调，屋子里面就1, 2个人的时候还好，几十号人以后 ，基本上就成菜市场了。空管员经常需要更新一些公用的东西，比如起飞显示屏，比如下一个小时后的出港排期，最后你会很惊奇的发现，每个人的时间最后都花在了抢这些资源上。 现实上我们的空管同时管几十架飞机稀松平常的事情， 他们怎么做的呢？
他们用这个东西

这个东西叫flight progress strip. 每一个块代表一个航班，不同的槽代表不同的状态，然后一个空管员可以管理一组这样的块（一组航班），而他的工作，就是在航班信息有新的更新的时候，把对应的块放到不同的槽子里面。这个东西现在还没有淘汰哦，只是变成电子的了而已。。是不是觉得一下子效率高了很多，一个空管塔里可以调度的航线可以是前一种方法的几倍到几十倍。
如果你把每一个航线当成一个Sock(I/O 流), 空管当成你的服务端Sock管理代码的话.第一种方法就是最传统的多进程并发模型 (每进来一个新的I/O流会分配一个新的进程管理。)第二种方法就是I/O多路复用 (单个线程，通过记录跟踪每个I/O流(sock)的状态，来同时管理多个I/O流 。)其实“I/O多路复用”这个坑爹翻译可能是这个概念在中文里面如此难理解的原因。所谓的I/O多路复用在英文中其实叫 I/O multiplexing. 如果你搜索multiplexing啥意思，基本上都会出这个图：

于是大部分人都直接联想到”一根网线，多个sock复用” 这个概念，包括上面的几个回答， 其实不管你用多进程还是I/O多路复用， 网线都只有一根好伐。多个Sock复用一根网线这个功能是在内核＋驱动层实现的。
重要的事情再说一遍： I/O multiplexing 这里面的 multiplexing 指的其实是在单个线程通过记录跟踪每一个Sock(I/O流)的状态(对应空管塔里面的Fight progress strip槽)来同时管理多个I/O流. 发明它的原因，是尽量多的提高服务器的吞吐能力。 是不是听起来好拗口，看个图就懂了

在同一个线程里面， 通过拨开关的方式，来同时传输多个I/O流。

  • 顺便提一句：
  1. select和poll都只返回可用集合，线程不安全，区别是select有1024个连接的限制
  2. epoll 现在是线程安全的，返回具体可用的连接，现在不仅告诉你sock组里面数据，还会告诉你具体哪个sock有数据，你不用自己去找了。

引用

https://www.zhihu.com/question/19732473
UNIX网络编程(卷一)
https://www.zhihu.com/question/32163005