IO - 同步，異步，阻塞，非阻塞
同步（synchronous） IO和異步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO ，我相信這幾個詞困擾過很多人，更痛苦的是，如果你查閱過文獻(xiàn)資料，你會發(fā)現(xiàn)不同的資料中的解釋是不一樣的，例如在wiki中，異步和非阻塞被當(dāng)成了一個概念 。
出現(xiàn)這種情況的原因，我認(rèn)為很大程度上是因?yàn)镮O這個概念本身就很寬泛，它其實(shí)包含了好幾個層面。比如說，你可以把它看做是一個物理上的設(shè)備，也可以看做是 OS抽象出來的一個軟件，還可以看做是平時寫程序用的read(),write()函數(shù)，不同的層面對于這幾個詞的理解也是不一樣的。
先看一個較低的層次。如果從CPU的角度看，其實(shí)大部分的IO都是異步的：因?yàn)镃PU啟動這個IO操作后，就去干其它的事情了，一直到產(chǎn)生一個中斷，告訴它IO完成了。
“Most physical I/O is asynchronous—the CPU starts the transfer and goes off to do something else until the interrupt arrives. User programs are much easier to write if the I/O operations are blocking—after a read system call the program is automatically suspended until the data are available in the buffer. It is up to the operating system to make operations that are actually interrupt-driven look blocking to the user programs.” （引自 Modern Operating Systems, 2ed）
不過，本文并不想探究那么底層的東東。作為程序員，更多的還是從應(yīng)用層面來考慮。所以，以下重點(diǎn)介紹的是應(yīng)用程序中能夠采用的四種IO機(jī)制。
（說明，下文中圖片引用自 http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/ ）
首先，從最常用到的，也是最容易理解的同步阻塞IO 說起。
在這個模型中，應(yīng)用程序（application）為了執(zhí)行這個read操作，會調(diào)用相應(yīng)的一個system call，將系統(tǒng)控制權(quán)交給kernel，然后就進(jìn)行等待（這其實(shí)就是被阻塞了）。kernel開始執(zhí)行這個system call，執(zhí)行完畢后會向應(yīng)用程序返回響應(yīng)，應(yīng)用程序得到響應(yīng)后，就不再阻塞，并進(jìn)行后面的工作。
例如，“在調(diào)用 read 系統(tǒng)調(diào)用時，應(yīng)用程序會阻塞并對內(nèi)核進(jìn)行上下文切換。然后會觸發(fā)讀操作，當(dāng)響應(yīng)返回時（從我們正在從中讀取的設(shè)備中返回），數(shù)據(jù)就被移動到用戶空間的緩沖區(qū)中。然后應(yīng)用程序就會解除阻塞（read 調(diào)用返回）。”
舉一個淺顯的例子，就好比你去一個銀行柜臺存錢。首先，你會將存錢的單子填好，然后交給柜員。這里，你就好比是application，單子就是調(diào)用的 system call，柜員就是kernel。提交好單子后，你就坐在柜臺前等，相當(dāng)于開始進(jìn)行等待。柜員辦好以后會給你一個回執(zhí)，表示辦好了，這就是 response。然后你就可以拿著回執(zhí)干其它的事了。注意，這個時候，如果你辦完之后馬上去查賬，存的錢已經(jīng)打到你的賬戶上了。后面你會發(fā)現(xiàn)，這點(diǎn)很重要。
接下來談同步非阻塞IO 。
先看這個圖，
在linux下，應(yīng)用程序可以通過設(shè)置文件描述符的屬性O(shè)_NONBLOCK，I/O操作可以立即返回，但是并不保證I/O操作成功。
也就是說，當(dāng)應(yīng)用程序設(shè)置了O_NONBLOCK之后，執(zhí)行write操作，調(diào)用相應(yīng)的system call，這個system call會從內(nèi)核中立即返回。但是在這個返回的時間點(diǎn)，數(shù)據(jù)可能還沒有被真正的寫入到指定的地方。也就是說，kernel只是很快的返回了這個 system call（這樣，應(yīng)用程序不會被這個IO操作blocking），但是這個system call具體要執(zhí)行的事情（寫數(shù)據(jù)）可能并沒有完成。而對于應(yīng)用程序，雖然這個IO操作很快就返回了，但是它并不知道這個IO操作是否真的成功了，如果想知道，需要應(yīng)用程序主動地去問kernel。
這次不是去銀行存錢，而是去銀行匯款。同樣的，你也需要填寫匯款單然后交給柜員，柜員進(jìn)行一些簡單的手續(xù)處理就能夠給你回執(zhí)。但是，你拿到回執(zhí)并不意味著錢已經(jīng)打到了對方的賬上。事實(shí)上，一般匯款的周期大概是24個小時，如果你要以存錢的模式來匯款的話，意味著你需要在銀行等24個小時，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。所以，同步非阻塞IO在實(shí)際生活中也是有它的意義的。
再來談?wù)劗惒阶枞鸌O 。
在linux中，常常通過select/poll來實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制。
以圖為例，
和之前一樣，應(yīng)用程序要執(zhí)行read操作，因此調(diào)用一個system call，這個system call被傳遞給了kernel。但在應(yīng)用程序這邊，它調(diào)用system call之后，并不等待kernel返回response，這一點(diǎn)是和前面兩種機(jī)制不一樣的地方。這也是為什么它被稱為異步的原因。但是為什么稱其為阻塞呢？這是因?yàn)殡m然應(yīng)用程序是一個異步的方式，但是select()函數(shù)會將應(yīng)用程序阻塞住，一直等到這個system call有結(jié)果返回了，再通知應(yīng)用程序。也就是說，“在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系統(tǒng)調(diào)用來確定一個 I/O 描述符何時有操作。”
所以，從IO操作的實(shí)際效果來看，異步阻塞IO和第一種同步阻塞IO是一樣的，應(yīng)用程序都是一直等到IO操作成功之后（數(shù)據(jù)已經(jīng)被寫入或者讀取），才開始進(jìn)行下面的工作。異步阻塞IO的好處在于一個select函數(shù)可以為多個描述符提供通知，提高了并發(fā)性。
關(guān)于提高并發(fā)性這點(diǎn)，我們還以銀行為例說明。比如說一個銀行柜臺，現(xiàn)在有10個人想存錢。按照現(xiàn)在銀行的做法，一個個排隊(duì)。第一個人先填存款單，然后提交，然后柜員處理，然后給回執(zhí)，成功后再輪到下一個人。大家應(yīng)該都在銀行排過對，這樣的流程是很痛苦的。如果按照異步阻塞的機(jī)制，10個人都填好存款單，然后都提交給柜臺，提交完之后所有的10個人就在銀行大廳等待。這時候會專門有個人，他會了解存款單處理的情況，一旦有存款單處理完畢，他會將回執(zhí)交給相應(yīng)的正在大廳等待的人，這個拿到回執(zhí)的人就可以去干其他的事情了。而前面提到的這個專人，就對應(yīng)于select函數(shù)。
最后，談?wù)劗惒椒亲枞鸌O 。
這個概念相對前面兩個反而更容易理解一些。
如圖所示，應(yīng)用程序提交read請求的system call，然后，kernel開始處理相應(yīng)的IO操作，而同時，應(yīng)用程序并不等kernel返回響應(yīng)，就會開始執(zhí)行其他的處理操作（應(yīng)用程序沒有被IO操作所阻塞）。當(dāng)kernel執(zhí)行完畢，返回read的響應(yīng)，就會產(chǎn)生一個信號或執(zhí)行一個基于線程的回調(diào)函數(shù)來完成這次 I/O 處理過程。
比如銀行存錢。現(xiàn)在某銀行新開通了一項(xiàng)存錢業(yè)務(wù)。用戶之需要將存款單交給柜臺，然后無需等待就可以離開了。柜臺辦好以后會給用戶發(fā)送一條短信，告知交易成功。這樣用戶不需要在柜臺前進(jìn)行長時間的等待，同時，也能夠得到確切的消息知道交易完成。
從前面的介紹中可以看出，所謂的同步和異步，在這里指的是application和kernel之間的交互方式。如果application不需要等待 kernel的回應(yīng)，那么它就是異步的。如果application提交完IO請求后，需要等待“回執(zhí)”，那么它就是同步的。
而阻塞和非阻塞，指的是application是否等待IO操作的完成。如果application必須等到IO操作實(shí)際完成以后再執(zhí)行下面的操作，那么它是阻塞的。反之，如果不等待IO操作的完成就開始執(zhí)行其它操作，那么它是非阻塞的。
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