网络I/O中 同步/异步 阻塞/非阻塞 概念

一、前言

在网络编程中，阻塞、非阻塞、同步、异步经常被提到。unix网络编程第一卷第六章专门讨论五种不同的IO模型，Stevens讲的非常详细。
Stevens在文章中一共比较了五种IO Model：

 blocking IO
 nonblocking IO
 IO multiplexing
 signal driven IO
 asynchronous IO

由于signal driven IO在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种IO Model。
unix的读取或写入操作有两个阶段：
1、等待数据准备好（等待数据到达网络，然后被拷贝到内核中的某个缓冲区）；
2、从内核拷贝数据到进程（将数据从内核缓冲区拷贝到应用缓冲区）。

二、四种IO类型

2.1 blocking IO

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

当用户进程调用了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network 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。而在用户进程这边，整个进程就会被阻塞。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。

2.2 non-blocking IO

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，流程是这个样子：

从图中可以看出，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，用户进程其实是需要不断地主动询问kernel数据好了没有。

2.3 IO multiplexing

IO multiplexing这个词可能有点陌生，也就是IO复用，主要是select，epoll。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断地轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，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。
这个图和blocking 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system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server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 multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

2.4 Asynchronous I/O

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：

用户进程发起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block。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，告诉它read操作完成了。

三、阻塞/非阻塞、同步/异步区别

3.1 阻塞/非阻塞

我理解区别是函数访问时能不能立即得到返回状态（即使返回状态是失败）
阻塞和非阻塞是针对进程访问数据的时候，根据I/O操作的就绪状态来采取的不同方式，说白了是一种读取或者写入操作函数的实现方式：
1、阻塞方式读取或者写入函数将一直等待；
2、非阻塞方式读取或者写入函数会立即返回一个状态值。

3.2 同步/异步

我理解区别是有没有回调，有回调（也就是收到通知）时异步，没有回调时同步。
同步和异步是针对应用程序和内核的交互而言：
1、同步是指用户进程触发I/O操作并等待或者轮询的去查看I/O操作是否就绪；
2、异步是指用户进程触发I/O操作后便开始做自己的事情，而当I/O操作已经完成会收到I/O完成的通知。

资料：
https://blog.csdn.net/u013074465/article/details/46276967
https://www.cnblogs.com/duanxz/p/3698530.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/494179416