IO-同步，异步，阻塞，非阻塞

Posted 2020-08-21

IO-同步，异步，阻塞，非阻塞
1.什么是IO
数据在系统内核(kernel)和用户进程之间的传递，称为IO。

2.IO操作步骤
以read为例，涉及两个系统对象，调用IO的process(or thread)，即用户进程；另一个为系统内核(kernel)。
当用户进程调用recvfrom操作时，会经历两个阶段
1)等待数据准备
2)将数据从内核拷贝至进程中

3.IO模型
根据用户进程在IO操作时的状态，可以分为5中IO类型：
blocking IO:阻塞IO
non-blocking IO：非阻塞IO
IO multiplexing：多Socket连接IO
signal driven IO：信号驱动IO
asynchronous IO：异步IO

signal driven IO实际中很少使用，在此不做介绍。

2.blocking IO:阻塞IO
当用户进程调用recvfrom时，首先开始IO第一阶段：kernel准备数据。
用户进程会被阻塞。当kernel数据准备好以后，会将数据从kernel拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才会解除block的状态，重新运行起来。
blocking IO在IO执行的两个阶段都被block了。

3.non-blocking IO:非阻塞IO
可以设置socket使其变为non-blocking。
当对一个non-blocking socket执行recvfrom操作时，流程如下：
用户进程调用recvfrom,如果kernel数据还没有准备好，此时用户进程不会被block。而是立刻返回一个error，从用户进程角度看，它并没有等待，而是立刻得到了一个结果。
用户进程判断是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是再次发送read操作。
一旦kernel中的数据准备好，并且再次收到了用户进程的system call,那么它马上将数据拷贝到用户内存，然后kernel返回结果。
non-blocking IO在数据准备阶段，没有被block，而是不断的轮询kernel数据是否准备好；在数据拷贝阶段，用户进程被block，直到kernel拷贝结束，返回结果，用户进程才会解除block的状态。

4.IO multiplexing：多Socket连接IO
IO multiplexing的特点是单个用户进程可以同时处理多个网络连接IO，它的原理是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。
当用户进程调用select时，整个进程会被block，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这时用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。我们可以看出，IO multiplexing和blocking IO的流程类似，不同的是，IO multiplexing需要两个system call(select和recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call(recvfrom)。select的优势在于它可以同时处理多个socket连接。所以如果连接数不高的话，使用select/epoll的web server不一定比multi-threading+blocking IO的web server性能更好，select/epoll的优势在于能够处理更多的连接。
IO multiplexing中，每一个socket一般设置为non-blocking的，但是用户进程一直是被select函数block的。

5.asynchronous IO
用户进程发起read操作后，立刻返回可以去做其他的事情了。
此时，从kernel角度看，当它收到一个asynchronous read后，首先他立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block，然后,kernel等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal告诉用户进程read操作完成了。

6.四种IO模型的区别
blocking和non-blocking,synchronous IO和asynchronous IO的区别。
blocking和non-blocking的区别很明显，blocking会一致阻塞，non-blocking在数据没准备完全时会立刻返回。
synchronous同步IO指的是在IO操作时会阻塞用户进程；asynchronous含义相反。
可以看出blocking，non-blocking，IO multiplexing都是synchronous IO；而asynchronous不会对用户进程产生任何阻塞。

7.网上有一个比较形象的例子来说明这四种IO Model
有A，B，C，D四个人在钓鱼：
A用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；
B的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B就和旁边的MM聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；
C用的鱼竿和B差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；
D是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给D发个短信。