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(gè)詞困擾過(guò)很多人，更痛苦的是，如果你查閱過(guò)文獻(xiàn)資料，你會(huì)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(gè)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(gè)概念本身就很寬泛，它其實(shí)包含了好幾個(gè)層面。比如說(shuō)，你可以把它看做是一個(gè)物理上的設(shè)備，也可以看做是 OS抽象出來(lái)的一個(gè)軟件，還可以看做是平時(shí)寫(xiě)程序用的read(),write()函數(shù)，不同的層面對(duì)于這幾個(gè)詞的理解也是不一樣的。
先看一個(gè)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(dòng)這個(gè)IO操作后，就去干其它的事情了，一直到產(chǎn)生一個(gè)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(guò)，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(lái)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。
首先，從最常用到的，也是最容易理解的同步阻塞IO 說(shuō)起。
在這個(gè)模型中，應(yīng)用程序（application）為了執(zhí)行這個(gè)read操作，會(huì)調(diào)用相應(yīng)的一個(gè)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(kāi)始執(zhí)行這個(gè)system call，執(zhí)行完畢后會(huì)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(shí)，應(yīng)用程序會(huì)阻塞并對(duì)內(nèi)核進(jìn)行上下文切換。然后會(huì)觸發(fā)讀操作，當(dāng)響應(yīng)返回時(shí)（從我們正在從中讀取的設(shè)備中返回），數(shù)據(jù)就被移動(dòng)到用戶(hù)空間的緩沖區(qū)中。然后應(yīng)用程序就會(huì)解除阻塞（read 調(diào)用返回）。”
舉一個(gè)淺顯的例子，就好比你去一個(gè)銀行柜臺(tái)存錢(qián)。首先，你會(huì)將存錢(qián)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(tái)前等，相當(dāng)于開(kāi)始進(jìn)行等待。柜員辦好以后會(huì)給你一個(gè)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(gè)時(shí)候，如果你辦完之后馬上去查賬，存的錢(qián)已經(jīng)打到你的賬戶(hù)上了。后面你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這點(diǎn)很重要。
接下來(lái)談同步非阻塞IO 。
在linux下，應(yīng)用程序可以通過(guò)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(shuō)，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(gè)system call會(huì)從內(nèi)核中立即返回。但是在這個(gè)返回的時(shí)間點(diǎn)，數(shù)據(jù)可能還沒(méi)有被真正的寫(xiě)入到指定的地方。也就是說(shuō)，kernel只是很快的返回了這個(gè) system call（這樣，應(yīng)用程序不會(huì)被這個(gè)IO操作blocking），但是這個(gè)system call具體要執(zhí)行的事情（寫(xiě)數(shù)據(jù)）可能并沒(méi)有完成。而對(duì)于應(yīng)用程序，雖然這個(gè)IO操作很快就返回了，但是它并不知道這個(gè)IO操作是否真的成功了，如果想知道，需要應(yīng)用程序主動(dòng)地去問(wèn)kernel。
這次不是去銀行存錢(qián)，而是去銀行匯款。同樣的，你也需要填寫(xiě)匯款單然后交給柜員，柜員進(jìn)行一些簡(jiǎn)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(qián)已經(jīng)打到了對(duì)方的賬上。事實(shí)上，一般匯款的周期大概是24個(gè)小時(shí)，如果你要以存錢(qián)的模式來(lái)匯款的話(huà)，意味著你需要在銀行等24個(gè)小時(shí)，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(lái)談?wù)劗惒阶枞鸌O 。
在linux中，常常通過(guò)select/poll來(lái)實(shí)現(xiàn)這種機(jī)制。
和之前一樣，應(yīng)用程序要執(zhí)行read操作，因此調(diào)用一個(gè)system call，這個(gè)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(chēng)為異步的原因。但是為什么稱(chēng)其為阻塞呢？這是因?yàn)殡m然應(yīng)用程序是一個(gè)異步的方式，但是select()函數(shù)會(huì)將應(yīng)用程序阻塞住，一直等到這個(gè)system call有結(jié)果返回了，再通知應(yīng)用程序。也就是說(shuō)，“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(lái)確定一個(gè) I/O 描述符何時(shí)有操作。”
所以，從IO操作的實(shí)際效果來(lái)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(xiě)入或者讀?。砰_(kāi)始進(jìn)行下面的工作。異步阻塞IO的好處在于一個(gè)select函數(shù)可以為多個(gè)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(shuō)明。比如說(shuō)一個(gè)銀行柜臺(tái)，現(xiàn)在有10個(gè)人想存錢(qián)。按照現(xiàn)在銀行的做法，一個(gè)個(gè)排隊(duì)。第一個(gè)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(gè)人。大家應(yīng)該都在銀行排過(guò)對(duì)，這樣的流程是很痛苦的。如果按照異步阻塞的機(jī)制，10個(gè)人都填好存款單，然后都提交給柜臺(tái)，提交完之后所有的10個(gè)人就在銀行大廳等待。這時(shí)候會(huì)專(zhuān)門(mén)有個(gè)人，他會(huì)了解存款單處理的情況，一旦有存款單處理完畢，他會(huì)將回執(zhí)交給相應(yīng)的正在大廳等待的人，這個(gè)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(gè)專(zhuān)人，就對(duì)應(yīng)于select函數(shù)。
最后，談?wù)劗惒椒亲枞鸌O 。
這個(gè)概念相對(duì)前面兩個(gè)反而更容易理解一些。
應(yīng)用程序提交read請(qǐng)求的system call，然后，kernel開(kāi)始處理相應(yīng)的IO操作，而同時(shí)，應(yīng)用程序并不等kernel返回響應(yīng)，就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行其他的處理操作（應(yīng)用程序沒(méi)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)或執(zhí)行一個(gè)基于線(xiàn)程的回調(diào)函數(shù)來(lái)完成這次 I/O 處理過(guò)程。
比如銀行存錢(qián)?，F(xiàn)在某銀行新開(kāi)通了一項(xiàng)存錢(qián)業(yè)務(wù)。用戶(hù)之需要將存款單交給柜臺(tái)，然后無(wú)需等待就可以離開(kāi)了。柜臺(tái)辦好以后會(huì)給用戶(hù)發(fā)送一條短信，告知交易成功。這樣用戶(hù)不需要在柜臺(tái)前進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的等待，同時(shí)，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(qǐng)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(kāi)始執(zhí)行其它操作，那么它是非阻塞的。
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