如何理解阻塞和非阻塞同步和异步

Posted 2020-09-09

同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制，所谓同步，就是在发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了。换句话说，就是由调用者主动等待这个调用的结果。

而异步则是相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果，而是在调用发出后，被调用者通过状态，通知机制来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用。

举例：

你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，如果是同步通信机制，书店老板会说，你稍等，我去查一下，然后开始查啊查，等查好了（可能是5秒，也可能是一天）告诉你结果（返回结果）。

而异步通信机制，书店老板直接告诉你我查一下，查好了打电话给你，然后直接挂电话了（不返回结果）。然后查好了，他会主动打电话给你，在这里老板通过回电这种方式来回调。

阻塞与非阻塞：

阻塞与非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。

阻塞调用时指调用结果返回之前，当前线程被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。

非阻塞调用时指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程。

还是上面的例子：

你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书，你如果是阻塞式调用，你会一直把自己挂起，直到得到这本书有没有的结果，如果是非阻塞式调用，你不管老板有没有告诉你，你自己先一边玩去了，当然你也要偶尔过几分钟check以下老板有没有返回结果。

在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关，跟老板通过什么方式回答你结果无关。

在处理IO的时候，阻塞和非阻塞都是同步IO

只有使用了特殊的API才是异步IO

五种unix下可用的I/O模型：

阻塞是I/O:

非阻塞是I/O:

I/O复用：

信号驱动I/O

异步I/O（posis的aio系列函数）

阻塞是I/0模型：默认情况下，所有套接字都是阻塞的，一个输入操作通常包括两个不同阶段：

1. 等待数据尊卑好

2. 从内核向进程复制数据

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中。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区中。下面以阻塞套接字的recvfrom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。

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recvfrom操作如何进行的。

 

可以看出recvfrom总是立即返回。

/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。如图

 

信号驱动式I/O：

 

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：

 

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。

等等，大家一定要问了，同步这个概念你怎么没涉及啊？别急，您先看总结。其实前四种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。

阻塞与非阻塞的区别就是：是否会阻塞发起IO的process，同步与异步的区别就是process在发起IO后，内核准备好数据前，是否在做其他事情。但是non-blocking IO虽然没有阻塞process，但是我觉着在process中non-blocking IO是在一个while循环中不停的发起IO，没做其他事情，所以属于同步IO。

首先一个IO操作其实分成了两个步骤：发起IO请求和实际的IO操作，同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞，如果实际的IO读写阻塞请求进程，那么就是同步IO，因此阻塞IO、非阻塞IO、IO服用、信号驱动IO都是同步IO，如果不阻塞，而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你，那么就是异步IO。阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步，发起IO请求是否会被阻塞，如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO，如果不阻塞，那么就是非阻塞IO。

对unix来讲：阻塞式I/O(默认)，非阻塞式I/O(nonblock)，I/O复用(select/poll/epoll)都属于同步I/O，因为它们在数据由内核空间复制回进程缓冲区时都是阻塞的(不能干别的事)。只有异步I/O模型(AIO)是符合异步I/O操作的含义的，即在1数据准备完成、2由内核空间拷贝回缓冲区后通知进程，在等待通知的这段时间里可以干别的事。

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，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。

看电视节目的时候还要留神听水壶声，你确定这是非阻塞吗？

分多一个线程用来等待响应，主线程可以处理其他响应先。

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