阻塞和非阻塞，同步和異步 總結

阻塞和非阻塞，同步和異步

1 例子

故事：老王燒開水。

出場人物：老張，水壺兩把（普通水壺，簡稱水壺；會響的水壺，簡稱響水壺）。

老王想了想，有好幾種等待方式

1.老王用水壺煮水，並且站在那裏，不管水開沒開，每隔一定時間看看水開了沒。－同步阻塞

老王想了想，這種方法不夠聰明。

2.老王還是用水壺煮水，不再傻傻的站在那裏看水開，跑去寢室上網，但是還是會每隔一段時間過來看看水開了沒有，水沒有開就走人。－同步非阻塞

老王想了想，現在的方法聰明瞭些，但是還是不夠好。

3.老王這次使用高大上的響水壺來煮水，站在那裏，但是不會再每隔一段時間去看水開，而是等水開了，水壺會自動的通知他。－異步阻塞

老王想了想，不會呀，既然水壺可以通知我，那我爲什麼還要傻傻的站在那裏等呢，嗯，得換個方法。

4.老王還是使用響水壺煮水，跑到客廳上網去，等着響水壺自己把水煮熟了以後通知他。－異步非阻塞

老王豁然，這下感覺輕鬆了很多。

---

• 同步和異步

  同步就是燒開水，需要自己去輪詢（每隔一段時間去看看水開了沒），異步就是水開了，然後水壺會通知你水已經開了，你可以回來處理這些開水了。
  同步和異步是相對於操作結果來說，會不會等待結果返回。

• 阻塞和非阻塞

  阻塞就是說在煮水的過程中，你不可以去幹其他的事情，非阻塞就是在同樣的情況下，可以同時去幹其他的事情。阻塞和非阻塞是相對於線程是否被阻塞。

其實，這兩者存在本質的區別，它們的修飾對象是不同的。阻塞和非阻塞是指進程訪問的數據如果尚未就緒，進程是否需要等待，簡單說這相當於函數內部的實現區別，也就是未就緒時是直接返回還是等待就緒。
而同步和異步是指訪問數據的機制,同步一般指主動請求並等待I/O操作完畢的方式,當數據就緒後在讀寫的時候必須阻塞,異步則指主動請求數據後便可以繼續處理其它任務,隨後等待I/O,操作完畢的通知,這可以使進程在數據讀寫時也不阻塞。

2 詳細介紹

網絡IO的模型大致包括下面幾種

• 同步模型（synchronous IO）

  • 阻塞IO（bloking IO）

  • 非阻塞IO（non-blocking IO）

  • 多路複用IO（multiplexing IO）

  • 信號驅動式IO（signal-driven IO）

• 異步IO（asynchronous IO）

  • 異步IO

網絡IO的本質是socket的讀取，socket在linux系統被抽象爲流，IO可以理解爲對流的操作。對於一次IO訪問，數據會先被拷貝到操作系統內核的緩衝區中，然後纔會從操作系統內核的緩衝區拷貝到應用程序的地址空間，所以一般會經歷兩個階段：

1. 等待所有數據都準備好或者一直在等待數據，有數據的時候將數據拷貝到系統內核；

2. 將內核緩存中數據拷貝到用戶進程中；

對於socket流而言：

1. 等待網絡上的數據分組到達，然後被複制到內核的某個緩衝區；

2. 把數據從內核緩衝區複製到應用進程緩衝區中；

2.1 阻塞IO

2.1.1 介紹

這也是最常用的模型，默認情況下所有的套接字都是 阻塞 的；

我們把recvfrom函數視爲系統調用，因爲我們正區分進程和內核，系統調用一般都會從在應用進程空間中運行切換到內核空間中運行，一段時間後又再切換回來；

我們可以從圖中看到，應用進程從 進行系統調用 到 複製數據報到應用進程的緩衝區完成 的整段時間內是被阻塞的；在這個過程中，要麼正確到達，要麼系統調用被信號打斷；直到數據報被複制到用戶進程完成後，用戶進程才解除阻塞的狀態，當然，這是用戶進程自己進行的阻塞；

2.1.2 優點和缺點

• 優點：能夠及時返回數據，無延遲；方便調試；

• 缺點：需要付出等待的代價；

2.2 非阻塞IO

2.2.1 介紹

非阻塞，當所請求的I/O操作非得把當前進程設置成睡眠才能完成時，不要把當前進程設置成睡眠，而是返回一個錯誤信息（數據報沒有準備好的情況下），此時當前進程可以做其它的事情，不用阻塞；

從圖中可以得知，前三次系統調用時都沒有數據可以返回，內核均返回一個 EWOULDBLOCK，並且不會阻塞當前進程，直到第四次詢問內核緩衝區是否有數據的時候，此時內核緩衝區中已經有一個準備好的數據，因此將內核數據複製到用戶空間，此時系統調用則返回成功；

當一個應用進程像這樣對一個非阻塞socket循環調用 recv/recvfrom 時，則稱爲輪詢；應用進程持續輪詢內核，以查看某個操作是否就緒，這麼做往往消耗大量的CPU時間。

2.2.2 優點和缺點

• 優點：相較於阻塞模型，非阻塞不用再等待任務，而是把時間花費到其它任務上，也就是這個當前線程同時處理多個任務；

• 缺點：導致任務完成的響應延遲增大了，因爲每隔一段時間纔去執行詢問的動作，但是任務可能在兩個詢問動作的時間間隔內完成，這會導致整體數據吞吐量的降低。

2.3 IO多路複用

2.3.1 介紹

有了I/O複用，我們就可以調用 select或poll，讓其阻塞在兩個系統調用（1.詢問數據是否準備好並且直到數據準備好才返回；2.內核是否把數據全部複製完成到用戶進程）中的某一個之上

圖中阻塞於 select 調用，等待數據報套接字變爲可讀。當select返回套接字可讀這一條件的時候，則調用 recvfrom 把所讀數據報復制到應用進程緩衝區；

之前的同步非阻塞方式需要用戶進程不停的輪詢，但是IO多路複用不需要不停的輪詢，而是派別人去幫忙循環查詢多個任務的完成狀態，UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是幹這個的；select調用是內核級別的，select輪詢相對非阻塞的輪詢的區別在於---前者可以等待多個socket，能實現同時對多個IO端口進行監聽，當其中任何一個socket的數據準好了，就能返回進行可讀，然後進程再進行recvform系統調用，將數據由內核拷貝到用戶進程，當然這個過程是阻塞的。select或poll調用之後，會阻塞進程，與blocking IO阻塞不同在於，此時的select不是等到socket數據全部到達再處理, 而是有了一部分數據（網絡上的數據是分組到達的）就會調用用戶進程來處理。如何知道有一部分數據到達了呢？監視的事情交給了內核，內核負責數據到達的處理。

我認爲上面那句話中存在兩個重要點：1.對多個socket進行監聽，只要任何一個socket數據準備好就返回可讀；2.不等一個socket數據全部到達再處理，而是一部分socket的數據到達了就通知用戶進程；

其實 select、poll、epoll 的原理就是不斷的遍歷所負責的所有的socket完成狀態，當某個socket有數據到達了，就返回可讀並通知用戶進程來處理；

2.3.2 優點和缺點

• 優點：能夠同時處理多個連接，系統開銷小，系統不需要創建新的額外進程或者線程，也不需要維護這些進程和線程的運行，降低了系統的維護工作量，節省了系統資源。

• 缺點：如果處理的連結數目不高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延遲還更大。（因爲阻塞可以保證沒有延遲，但是多路複用是處理先存在的數據，所以數據的順序則不管，導致處理一個完整的任務的時間上有延遲）

2.3.3 同步非阻塞和多線程＋同步阻塞

高併發的程序一般使用同步非阻塞方式而非多線程 + 同步阻塞方式。要理解這一點，首先要扯到併發和並行的區別。比如去某部門辦事需要依次去幾個窗口，辦事大廳裏的人數就是併發數，而窗口個數就是並行度。也就是說併發數是指同時進行的任務數（如同時服務的 HTTP 請求），而並行數是可以同時工作的物理資源數量（如 CPU 核數）。通過合理調度任務的不同階段，併發數可以遠遠大於並行度，這就是區區幾個 CPU 可以支持上萬個用戶併發請求的奧祕。在這種高併發的情況下，爲每個任務（用戶請求）創建一個進程或線程的開銷非常大。而同步非阻塞方式可以把多個 IO 請求丟到後臺去，這就可以在一個進程裏服務大量的併發 IO 請求。

2.4 信號驅動式I/O模型

首先開啓套接字的信號驅動式IO功能，並且通過 sigaction 系統調用安裝一個信號處理函數，該函數調用將立即返回，當前進程沒有被阻塞，繼續工作；當數據報準備好的時候，內核則爲該進程產生 SIGIO 的信號，隨後既可以在信號處理函數中調用 recvfrom 讀取數據報，並且通知主循環數據已經準備好等待處理，也可以通知主循環讓它讀取數據報；（其實就是一個待讀取的通知和待處理的通知）；

2.5 異步式I/O模型

我們調用 aio_read 函數，給內核傳遞描述符、緩衝區指針、緩衝區大小和文件偏移，並且告訴內核當整個操作完成時如何通知我們。該函數調用後立即返回，不被阻塞；

2.6 比較