阻塞式I/0 和 非阻塞式I/O 同步异步详细介绍

Posted 2020-11-02 anche

请求描述：

`阻塞/非阻塞` 和 `同步/异步` 不是一个概念。举几个简单的例子。

         当进程调用一个进行IO操作的API时（比如read函数），在数据没有到达前，read 会挂起，进程会卡住。在数据读取完毕返回给进程时，

      read 返回（返回值为读取到的字节数，数据从内核拷贝到用户空间），然后进程继续执行。那么这次 read 调用，是阻塞的。

         非阻塞就是 read 在数据没有读取完毕前，就返回了（返回值为-1，errno 设置为 EAGAIN）。此时进程没有拿到需要的数据。那怎么办？

 

 

有两种办法。

一种是同步：

       因为进程没办法知道数据什么时候才真正读取完毕了，所以需要每隔一段时间就去轮询一下（就是重新调用 read，看是不是数据真的已经读取完毕了）。

   大部分场景中都不会使用这种方式。但在某些特殊的情况下效率会特别高。

一种是异步：

     早期的异步实现方式是内核给进程发信号（SIGIO 或者 SIGPOLL）。数据读写完毕后，内核发信号给进程，然后进程内的信号处理函数再调用 read 读取数据（这时可以确保数据真的已经读取完毕了）。但这种方式有一个小小的瑕疵，就是在进程进行多个 fd 读写的时候，信号来的时候没办法分清到底是哪个 fd 上的数据已经真正准备好了。所以进程还是要对所有持有的 fd 进行 read 调用。
    后来的异步实现，就有了更好的 select / poll / epoll（I/O multiplexing）。现在基本上像比较流行的 nginx / Redis 都用 epoll（在 FreeBSD 上是 kqueue）

 

 

 

图解：

阻塞式I/O模型：默认情况下，所有套接字都是阻塞的。怎么理解？先理解这么个流程，一个输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待数据准备好；
（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。 好，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。

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。

 

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。如图

信号驱动式I/O：用的很少，就不做讲解了。直接上图

 

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

 

 

 

例子说明：

 例子一：

       一个网络包从应用程序A发到另一台电脑上的应用程序B，需要经历：

1. 从A的业务代码到A的软件框架
2. 从A的软件框架到计算机的操作系统内核
3. 从A所在计算机的内核到网卡
4. 从网卡经过网线发到交换机等设备，层层转发，到达B所在计算机的网卡
5. 从B所在计算机的网卡到B所在计算机的内核
6. 从B所在计算机的内核到B的程序的用户空间
7. 从B的软件框架到B的业务代码

例子二：

 

    小乐爱喝茶，废话不说，煮开水。
    出场人物：小乐，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
       1 小乐把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）
         ——   小乐觉得自己有点傻
       2 小乐把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）
         ——  小乐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，能大声发出呜呜~~~~的噪音。
       3 小乐把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）
         ——  小乐觉得这样傻等意义不大
       4 小乐把响水壶放到火上，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）
         ——  小乐觉得自己聪明了。


  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，提示小乐水开了。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），造成小乐效率的低下。

   所谓阻塞非阻塞，仅仅对于小乐而言。
    —— 立等的小乐，阻塞；看电视的小乐，非阻塞。

    情况1和情况3中小乐就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。

    虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的小乐没有太大的意义。

    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。