32 | 答疑（四）：阻塞、非阻塞 I/O 与同步、异步 I/O 的区别和联系
问题 1：阻塞、非阻塞 I/O 与同步、异步 I/O 的区别和联系
在文件系统的工作原理篇中，介绍了阻塞、非阻塞 I/O 以及同步、异步 I/O 的含义，这里我们再简单回顾一下。
首先我们来看阻塞和非阻塞 I/O。根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把 I/O 分为阻塞 I/O 和非阻塞 I/O。
- 所谓阻塞 I/O，是指应用程序在执行 I/O 操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，不能执行其他任务。
- 所谓非阻塞 I/O，是指应用程序在执行 I/O 操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务。
再来看同步 I/O 和异步 I/O。根据 I/O 响应的通知方式的不同，可以把文件 I/O 分为同步 I/O 和异步 I/O。
- 所谓同步 I/O，是指收到 I/O 请求后，系统不会立刻响应应用程序；等到处理完成，系统才会通过系统调用的方式，告诉应用程序 I/O 结果。
- 所谓异步 I/O，是指收到 I/O 请求后，系统会先告诉应用程序 I/O 请求已经收到，随后再去异步处理；等处理完成后，系统再通过事件通知的方式，告诉应用程序结果。
你可以看出，阻塞 / 非阻塞和同步 / 异步，其实就是两个不同角度的 I/O 划分方式。它们描述的对象也不同，阻塞 / 非阻塞针对的是 I/O 调用者（即应用程序），而同步 / 异步针对的是 I/O 执行者（即系统）。
我举个例子来进一步解释下。比如在 Linux I/O 调用中，
- 系统调用 read 是同步读，所以，在没有得到磁盘数据前，read 不会响应应用程序。
- 而 aio_read 是异步读，系统收到 AIO 读请求后不等处理就返回了，而具体的 read 结果，再通过回调异步通知应用程序。
再如，在网络套接字的接口中，
- 使用 send() 直接向套接字发送数据时，如果套接字没有设置 O_NONBLOCK 标识，那么 send() 操作就会一直阻塞，当前线程也没法去做其他事情。
- 当然，如果你用了 epoll，系统会告诉你这个套接字的状态，那就可以用非阻塞的方式使用。当这个套接字不可写的时候，你可以去做其他事情，比如读写其他套接字。
问题 2：“文件系统”课后思考
最后，给你留一个思考题。在实际工作中，我们经常会根据文件名字，查找它所在路径，比如：
find/-name file-name
今天的问题就是，这个命令，会不会导致系统的缓存升高呢？如果有影响，又会导致哪种类型的缓存升高呢？
执行 find 命令时，会不会导致系统的缓存升高呢？如果会导致，升高的又是哪种类型的缓存呢？
关于这个问题，白华和 coyang 的答案已经很准确了。通过学习 Linux 文件系统的原理，我们知道，文件名以及文件之间的目录关系，都放在目录项缓存中。而这是一个基于内存的数据结构，会根据需要动态构建。所以，查找文件时，Linux 就会动态构建不在缓存中的目录项结构，导致 dentry 缓存升高。
事实上，除了目录项缓存增加，Buffer 的使用也会增加。如果你用 vmstat 观察一下，会发现 Buffer 和 Cache 都在增长：
$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
0 1 0 7563744 6024 225944 0 0 3736 0 574 3249 3 5 89 3 0
1 0 0 7542792 14736 236856 0 0 8708 0 13494 32335 8 19 66 7 0
0 1 0 7494452 27280 272284 0 0 12544 0 4550 17084 5 15 68 13 0
0 1 0 7475084 42380 276320 0 0 15096 0 2541 14253 2 6 78 13 0
0 1 0 7455728 57600 280436 0 0 15220 0 2025 14518 2 6 70 22 0这里，Buffer 的增长是因为，构建目录项缓存所需的元数据（比如文件名称、索引节点等），需要从文件系统中读取。
问题 3：“磁盘 I/O 延迟”课后思考
在磁盘 I/O 延迟案例的最后，我给你留了一道思考题。
我们通过 iostat ，确认磁盘 I/O 已经出现了性能瓶颈，还用 pidstat 找出了大量磁盘 I/O 的进程。但是，随后使用 strace 跟踪这个进程，却找不到任何 write 系统调用。这是为什么呢？
我们需要加 -f 选项，以便跟踪多进程和多线程的系统调用情况。
写文件是由子线程执行的，所以直接strace跟踪进程没有看到write系统调用，可以通过pstree查看进程的线程信息，再用strace跟踪。或者，通过strace -fp pid 跟踪所有线程。
问题 4：“MySQL 案例”课后思考
在 MySQL 案例的最后，我给你留了一个思考题。
为什么 DataService 应用停止后，即使仍没有索引，MySQL 的查询速度还是快了很多，并且磁盘 I/O 瓶颈也消失了呢？
事实上，当你看到 DataService 在修改 /proc/sys/vm/drop_caches 时，就应该想到前面学过的 Cache 的作用。
我们知道，案例应用访问的数据表，基于 MyISAM 引擎，而 MyISAM 的一个特点，就是只在内存中缓存索引，并不缓存数据。所以，在查询语句无法使用索引时，就需要数据表从数据库文件读入内存，然后再进行处理。
所以，如果你用 vmstat 工具，观察缓存和 I/O 的变化趋势，就会发现下面这样的结果：
$ vmstat 1
procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu-----
r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st
# 备注： DataService 正在运行
0 1 0 7293416 132 366704 0 0 32516 12 36 546 1 3 49 48 0
0 1 0 7260772 132 399256 0 0 32640 0 37 463 1 1 49 48 0
0 1 0 7228088 132 432088 0 0 32640 0 30 477 0 1 49 49 0
0 0 0 7306560 132 353084 0 0 20572 4 90 574 1 4 69 27 0
0 2 0 7282300 132 368536 0 0 15468 0 32 304 0 0 79 20 0
# 备注：DataService 从这里开始停止
0 0 0 7241852 1360 424164 0 0 864 320 133 1266 1 1 94 5 0
0 1 0 7228956 1368 437400 0 0 13328 0 45 366 0 0 83 17 0
0 1 0 7196320 1368 470148 0 0 32640 0 33 413 1 1 50 49 0
...
0 0 0 6747540 1368 918576 0 0 29056 0 42 568 0 0 56 44 0
0 0 0 6747540 1368 918576 0 0 0 0 40 141 1 0 100 0 0在 DataService 停止前，cache 会连续增长三次后再降回去，这正是因为 DataService 每隔 3 秒清理一次页缓存。而 DataService 停止后，cache 就会不停地增长，直到增长为 918576 后，就不再变了。
这时，磁盘的读（bi）降低到 0，同时，iowait（wa）也降低到 0，这说明，此时的所有数据都已经在系统的缓存中了。我们知道，缓存是内存的一部分，它的访问速度比磁盘快得多，这也就能解释，为什么 MySQL 的查询速度变快了很多。
从这个案例，你会发现，MySQL 的 MyISAM 引擎，本身并不缓存数据，而要依赖系统缓存来加速磁盘 I/O 的访问。一旦系统中还有其他应用同时运行，MyISAM 引擎就很难充分利用系统缓存。因为系统缓存可能被其他应用程序占用，甚至直接被清理掉。
所以，一般来说，我并不建议，把应用程序的性能优化完全建立在系统缓存上。还是那句话，最好能在应用程序的内部分配内存，构建完全自主控制的缓存，比如 MySQL 的 InnoDB 引擎，就同时缓存了索引和数据；或者，可以使用第三方的缓存应用，比如 Memcached、Redis 等。
