同步？异步？阻塞？非阻塞？多路复用？

写在前面

无论是在你看各种中间件在IO方面的优化，还是在各种面试题中，IO模型都是占了举足轻重的地位。然而，什么同步阻塞，同步非阻塞，异步阻塞，异步非阻塞等等，都会让你晕头转向。当你Google这些区别，你总能查到各种各样的生活中的例子来帮助你理解，那一刻你懂了，但是回过头来好像又觉得差了点意思。

在这一篇文章中，我们以 《UNIX网络编程：卷一》第六章 的说法，来看看各种IO模型的本质是什么。

在阅读这一篇文章之前， 你需要了解的前置知识点有：

• 了解Socket与文件描述符的关系
• 了解进程的五状态模型
• 了解用户态与内核态的区别

为了文章的连贯性，本文就不对这些前置知识点做过多的解释了。如果在阅读过程中你产生了一些疑问，可以先看完文章，然后再去详细的了解这些知识点。

1.IO的流程

在区分各种IO模型的区别之前，我们需要先了解一个IO，在操作系统的层面究竟发生了哪些事情。注意，我们说的IO模型对IO的优化，都是基于读IO。

假设我们需要等待Socket的数据，也就是说当前是一个读操作的IO，那么在操作系统层面需要分为两步：

• 等待数据被写入Socket的缓冲区中
• 将Socket缓冲区中的数据拷贝到应用程序中

我们可以很容易的发现，第一步是由对方决定的，对方决定了什么时候把数据发送过来。第二步是由操作系统决定的，操作系统需要陷入内核态拷贝数据。

而我们的同步异步、阻塞非阻塞也是从这里出发的。

这里先提一下，阻塞和非阻塞指的是第一个阶段，进程等待缓冲区被写入数据的方式；同步和异步指的是第二个阶段，进程需不需要等待操作系统把数据从缓冲区拷贝到应用中。

2.五种IO模型

2.1 阻塞

在同步阻塞的IO模型中，在第一阶段“等待数据被写入Socket的缓冲区中”，操作系统会把当前的进程设置为阻塞状态，直到缓冲区被写入数据这个进程才被唤醒。

这也就造成了一个问题，当操作系统把这个进程置为阻塞态的时候，这个进程就什么事都做不了了。

2.2 非阻塞

为了解决“同步阻塞”进程可能无期限阻塞的情况，于是产生了“同步非阻塞”

在这种IO模型中，如果发现这个Socket里面没有准备好的数据就返回一个错误，而不是把这个进程设置为阻塞状态。

也就是说我们可以轮询这个Socket查看有无准备好的数据。

2.3 多路复用

假设此时我们的服务器需要管理很多的IO请求，如果给每一个IO都分配一个进程/线程，自旋的等待有无数据到来，无疑是很浪费资源的。

如果我们用一个进程，轮询所有的IO请求，又会使IO的响应变得很慢。

因此，产生了多路复用IO。

多路复用IO就是用一条线程，同时监听多个IO请求，并且在有IO请求产生的时候返回。

注意，虽然我们的IO多路复用也会阻塞，但是这里的阻塞是应用层面的，也就是说在多路复用的方法上进行阻塞，而不是在操作系统层面去阻塞。

2.4 信号驱动

在以上的IO模型中，都是需要应用自己去“询问”Socket是否已经准备好了数据，而信号驱动就是由Socket“主动”告诉你有没有准备好数据。

这么做的好处在于第一阶段程序不需要任何的等待与轮询，只需要在收到了信号通知之后去处理这个IO即可。

2.5 异步IO

在以上的四种IO操作中，无论第一个阶段是如何进行优化的，在第二阶段都需要陷入内核态来拷贝数据。

异步IO就是为了解决这个问题。

异步IO在解决了阻塞这个问题后，同样把陷入内核态来拷贝数据的时间也节省了。

这样，当程序需要进行IO的时候，只需要发出IO的请求，然后就可以继续执行后面的代码，直到IO完成操作系统会通知程序。

同样的，异步IO是非阻塞的。

3.总结

到了这里，我想你应该可以分别各种IO模型了，无论是同步阻塞，还是同步非阻塞...不会被这些模型搞的一脸懵逼，记了忘忘了记。

只需要记住阻塞跟非阻塞，是在等待数据这个阶段的；同步跟非同步，指的是需不需要等待CPU进行数据的拷贝。

写在最后

首先，谢谢你能看到这里，新年快乐！

我拖更了好久好久了，前段时间因为自己没能调整好时间，在这里跟大家说声抱歉。

在过去的半年，我们比较粗粒度的学了一遍作为一个开发应该掌握的各种基本技能，基本都是各种《XXX入门》，属于技能广度上的扫盲。

在接下来的半年中，我的小目标就是能够在技术深度上有一定的进步，也同样希望我能够把复杂的东西讲得更清晰明了。

（这应该是新年的第一个flag了hhh）

我初步的计划是先把gRPC研究的稍微深入一些，而不是停留在如何调用各种API。也希望可以站在一个更高一点的层面来分析gRPC，了解gRPC为什么要这么设计，而不是逐行加上注释来解释gRPC是怎么实现的。

这是一个新的尝试，会有点难，不过，我们一起努力吧！

在这个过程中，有任何问题你都可以在公众号搜索“红鸡菌”找到我，我也同样很希望得到你的反馈，包括但不限于“我哪里写的不明白”，“你希望看到什么样的内容”等。

再次谢谢你能看到这里！

2021一起加油~