同步异步，阻塞非阻塞和IO模型_异步阻塞

1.同步与异步

1.1 概念描述

所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。
所谓异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。

1.2 消息通知

异步的概念和同步相对。当一个同步调用发出后，调用者要一直等待返回消息（结果）通知后，才能进行后续的执行；当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到返回消息（结果）。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。这里提到执行部件和调用者通过三种途径返回结果：
状态、通知和回调。

1. 如果执行部件用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低。
2. 如果是使用通知的方式，效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。
3. 至于回调函数，其实和通知没太多区别。
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2. 阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞这两个概念与程序等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序等待消息通知时的状态角度来说的。

2.1 概念描述

阻塞调用：是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，一直处于等待消息通知，不能够执行其他业务。函数只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞调用：指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。
有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上它们是不同的。

2.1.1 同步和阻塞的区别

对于同步调用来说，很多时候当前线程可能还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已，此时，这个线程可能也会处理其他的消息。

(a) 如果这个线程在等待当前函数返回时，仍在执行其他消息处理，那这种情况就叫做同步非阻塞；

(b) 如果这个线程在等待当前函数返回时，没有执行其他消息处理，而是处于挂起等待状态，那这种
情况就叫做同步阻塞；
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所以同步的实现方式会有两种：同步阻塞、同步非阻塞；同理，异步也会有两种实现：异步阻塞、异步非阻塞。

3. 同步/异步 与 阻塞/非阻塞

3.1 同步阻塞

如果这个线程在等待当前函数返回时，没有执行其他消息处理，而是处于挂起等待状态，那这种情况就叫做同步阻塞。效率是最低的！

3.2 同步非阻塞

如果这个线程在等待当前函数返回时，仍在执行其他消息处理，那这种情况就叫做同步非阻塞。这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换，效率可想而知是低下的！

3.3 异步阻塞

一个任务需要等待被异步调用的任务通过通知的方式触发而完成。该任务阻塞在了这个等待的操作上。
异步操作是可以被阻塞住的，只不过它不是在处理消息时阻塞，而是在等待消息通知时被阻塞。

3.4 异步非阻塞

一个任务调用了异步任务，程序没有 等待，而是继续往下执行，异步任务处理完成后通过通知的方式告知调用者。效率高！

4. IO模型基础知识储备

4.1 用户空间与内核空间

操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核（kernel），保证内核的安全，操作系统将虚拟空间划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间。

4.2 进程切换

为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。
从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化：

(1)保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。

(2)更新PCB信息。

(3)把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。

(4)选择另一个进程执行，并更新其PCB。

(5)更新内存管理的数据结构。

(6)恢复处理机上下文。
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4.3 进程的阻塞

正在执行的进程，由于期待的某些事件未发生，如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等，则由系统自动执行阻塞原语(Block)，使自己由运行状态变为阻塞状态。可见，进程的阻塞是进程自身的一种主动行为，也因此只有处于运行态的进程（获得CPU），才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态，是不占用CPU资源的。

4.4 文件描述符fd

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为维护每一个进程所打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

4.5 缓存 IO

缓存 IO 又被称作标准 IO，大多数文件系统的默认 IO 操作都是缓存 IO。在 Linux 的缓存 IO 机制中，操作系统会将 IO 的数据缓存在文件系统的页缓存（ page cache ）中，也就是说，数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。

缓存 IO 的缺点：
数据在传输过程中需要在应用程序地址空间和内核进行多次数据拷贝操作，这些数据拷贝操作所带来的 CPU 以及内存开销是非常大的。

5. IO模型

网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，IO可以理解为对流的操作。刚才说了，对于一次IO访问（以read举例），数据会先被拷贝到
操作系统内核的缓冲区中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间。
当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

第一阶段：等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)。

第二阶段：将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。
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对于socket流而言：

第一步：通常涉及等待网络上的数据分组到达，然后被复制到内核的某个缓冲区。

第二步：把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区。
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网络应用需要处理的无非就是两大类问题，网络IO，数据计算。相对于后者，网络IO的延迟，给应用带来的性能瓶颈大于后者。网络IO的模型大致有如下几种：

同步IO（synchronous IO）

异步IO（asynchronous IO）

阻塞IO（bloking IO）

非阻塞IO（non-blocking IO）

多路复用IO（multiplexing IO）

信号驱动式IO（signal-driven IO）
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5.1 同步阻塞 IO

用户空间的应用程序执行一个系统调用（recvform），这会导致应用程序阻塞，什么也不干，直到数据准备好，并且将数据从内核复制到用户进程，最后进程再处理数据，在等待数据到处理数据的两个阶段，整个进程都被阻塞。不能处理别的网络IO。调用应用程序处于一种不再消费 CPU 而只是简单等待响应的状态，因此从处理的角度来看，这是非常有效的。在调用recv()/recvfrom()函数时，发生在内核中等待数据和复制数据的过程，大致如下图：

5.1.1 流程描述

当用户进程调用了recv()/recvfrom()这个系统调用:
kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据（对于网络IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达。比如，还没有收到一个完整的UDP包。这个时候kernel就要等待足够的数据到来）。这个过程需要等待，也就是说数据被拷贝到操作系统内核的缓冲区中是需要一个过程的。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞（当然，是进程自己选择的阻塞）。
第二个阶段：当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。
所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

优点：

能够及时返回数据，无延迟；

对内核开发者来说这是省事了；
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缺点：

对用户来说处于等待就要付出性能的代价了；
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5.2 同步非阻塞 IO

同步非阻塞就是 “每隔一会儿瞄一眼进度条” 的轮询（polling）方式。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 IO 操作不会立即完成，read 操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。
在网络IO时候，非阻塞IO也会进行recvform系统调用，检查数据是否准备好，与阻塞IO不一样，“非阻塞将大的整片时间的阻塞分成N多的小的阻塞, 所以进程不断地有机会 ‘被’ CPU光顾”。也就是说非阻塞进程recvform系统调用之后，进程并没有被阻塞，内核马上返回给进程，如果数据还没准备好，此时会返回一个error。进程在返回之后，可以干点别的事情，然后再发起recvform系统调用。重复上面的过程，循环往复的进行recvform系统调用。这个过程通常被称之为轮询。轮询检查内核数据，直到数据准备好，再拷贝数据到进程，进行数据处理。需要注意，拷贝数据整个过程，进程仍然是属于阻塞的状态。
在linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程如图所示：

5.2.1 流程描述

当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。所以，nonblocking IO的特点是用户进程需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

5.2.2 同步非阻塞方式相比同步阻塞方式

优点：能够在等待任务完成的时间里干其他活了（包括提交其他任务，也就是 “后台” 可以有多个任务在同时执行）。
缺点：任务完成的响应延迟增大了，因为每过一段时间才去轮询一次read操作，而任务可能在两次轮询之间的任意时间完成。这会导致整体数据吞吐量的降低。

5.3 IO多路复用

由于同步非阻塞方式需要不断主动轮询，轮询占据了很大一部分过程，轮询会消耗大量的CPU时间，而 “后台” 可能有多个任务在同时进行，人们就想到了循环查询多个任务的完成状态，只要有任何一个任务完成，就去处理它。如果轮询不是进程的用户态，而是有人帮忙就好了。那么这就是所谓的 “IO 多路复用”。UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的（epoll 比 poll、select 效率高，做的事情是一样的）。IO多路复用有两个特别的系统调用select、poll、epoll函数。
select调用是内核级别的，select轮询相对非阻塞的轮询的区别在于，它可以等待多个socket，能实现同时对多个IO端口进行监听，当其中任何一个socket的数据准好了，就能返回进行可读，然后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，当然这个过程是阻塞的。select或poll调用之后，会阻塞进程，与同步阻塞IO不同在于，此时的select不是等到socket数据全部到达再处理, 而是有了一部分数据就会调用用户进程来处理。如何知道有一部分数据到达了呢？监视的事情交给了内核，内核负责数据到达的处理。也可以理解为"非阻塞"吧。I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数，这几个函数也会使进程阻塞，但是和阻塞I/O所不同，这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作，多个写操作的I/O函数进行检测，直到有
数据可读或可写时（注意不是全部数据可读或可写），才真正调用I/O操作函数。
对于多路复用，也就是轮询多个socket。多路复用既然可以处理多个IO，也就带来了新的问题，多个IO之间的顺序变得不确定了，当然也可以针对不同的编号。具体流程，如下图所示：

5.3.1 流程描述

IO 多路复用就是我们说的select，poll，epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll这个函数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。
当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待IO文件描述符，内核监视这些文件描述符（套接字描述符），其中的任意一个进入读就绪状态，select， poll，epoll函数就可以返回。对于监视的方式，又可以分为 select， poll， epoll三种方式。
上面的图和同步阻塞IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个系统调用(select 和 recvfrom)，而同步阻塞IO只调用了一个系统调用(recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个连接。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web服务不一定比使用多路复用+同步阻塞IO的web服务性能更好，可能延迟还更大。（select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）在IO多路复用的模型中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为非阻塞，但是，如上图所示，整个用户的进程其实是一直被阻塞的。只不过进程是被select这个函数阻塞的，而不是被socket IO给阻塞的。
所以IO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。在I/O编程过程中，当需要同时处理多个客户端接入请求时，可以利用多线程或者I/O多路复用技术进行处理。I/O多路复用技术通过把多个I/O的阻塞复用到同一个select的阻塞上，从而使得系统在单线程的情况下可以同时处理多个客户端请求。与传统的多线程/多进程模型比，I/O多路复用的最大优势是系统开销小，系统不需要创建新的额外进程或者线程，也不需要维护这些进程和线程的运行，降底了系统的维护工作量，节省了系统资源，I/O多路复用的主要应用场景如下：

服务器需要同时处理多个处于监听状态或者多个连接状态的套接字。

服务器需要同时处理多种网络协议的套接字。
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了解了前面三种IO模式，在用户进程进行系统调用的时候，他们在等待数据到来的时候，处理的方式不一样，直接等待，轮询，select或poll轮询，两个阶段过程：

第一个阶段有的阻塞，有的不阻塞，有的可以阻塞又可以不阻塞。

第二个阶段都是阻塞的。
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从整个IO过程来看，他们都是顺序执行的，因此可以归为同步模型(synchronous)。都是进程主动等待且向内核检查状态。【此句很重要！！！】
高并发的程序一般使用同步非阻塞方式而非多线程 + 同步阻塞方式。要理解这一点，首先要扯到并发和并行的区别。比如去某部门办事需要依次去几个窗口，办事大厅里的人数就是并发数，而窗口个数就是并行度。也就是说并发数是指同时进行的任务数（如同时服务的 HTTP 请求），而并行数是可以同时工作的物理资源数量（如 CPU 核数）。通过合理调度任务的不同阶段，并发数可以远远大于并行度，这就是区区几个 CPU 可以支持上万个用户并发请求的奥秘。
在这种高并发的情况下，为每个任务（用户请求）创建一个进程或线程的开销非常大。而同步非阻塞方式可以把多个 IO 请求丢到后台去，这就可以在一个进程里服务大量的并发 IO 请求。
注意：IO多路复用是同步阻塞模型还是异步阻塞模型，在此给大家分析下：

同步是需要主动等待消息通知，而异步则是被动接收消息通知，通过回调、通知、状态等方式来被动获取消息。IO多路复用在阻塞到select阶段时，用户进程是主动等待并调用select函数获取数据就绪状态消息，并且其进程状态为阻塞。所以，把IO多路复用归为同步阻塞模式。

5.4 信号驱动式IO

首先我们允许Socket进行信号驱动IO,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。过程如下图所示：

5.5 异步非阻塞 IO

相对于同步IO，异步IO不是顺序执行。用户进程进行aio_read系统调用之后，无论内核数据是否准备好，都会直接返回给用户进程，然后用户态进程可以去做别的事情。等到socket数据准备好了，内核直接复制数据给进程，然后从内核向进程发送通知。IO两个阶段，进程都是非阻塞的。Linux提供了AIO库函数实现异步，但是用的很少。目前有很多开源的异步IO库，例如libevent、libev、libuv。异步过程如下图所示：

5.5.1 流程描述

用户进程发起aio_read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 IO 处理过程，告诉它read操作完成了。

6 五种IO模型总结

各个IO Model的比较如图所示：

通过上面的图片，可以发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。在non-blocking IO中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查IO操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。