同步与异步IO、阻塞与非阻塞IO

同步与异步IO、阻塞与非阻塞IO (2010-04-28 10:42)分类： Linux_kernel


同步与异步IO、阻塞与非阻塞IO

很多时候我们常常看到同步与异步，阻塞与非阻塞的出现。有的地方直接将同步与阻塞画上了等号。异步与非阻塞画上了等号。事实上这是不对的。同步不等于阻塞，而异步也不等于非阻塞。下面就来仔细的看看同步与异步、阻塞与非阻塞的概念差别，及他们的组合应用。
同步：所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用（例如sin, isdigit等）。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。最常见的例子就是SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，这个函数不返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的 LRESULT值返回给调用者
异步：异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。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。以 CAsycSocket类为例（注意，CSocket从CAsyncSocket派生，但是起功能已经由异步转化为同步），当一个客户端通过调用Connect函数发出一个连接请求后，调用者线程立刻可以朝下运行。当连接真正建立起来以后，socket底层会发送一个消息通知该对象。
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。可以使用哪一种依赖于执行部件的实现，除非执行部件提供多种选择，否则不受调用者控制。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（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这其实是一 种很严重的错误）。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。至于回调函数，其实和通知没太多区别
阻塞：阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在 得到结果之后才会返回。
有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如，我们在 CSocket中调用Receive函数，如果缓冲区中没有数据，这个函数就会一直等待，直到有数据才返回。而此时，当前线程还会继续处理各种各样的消息。如果主窗口和调用函数在同一个线程中，除非你在特殊的界面操作函数中调用，其实主界面还是应该可以刷新。
socket接收数据的另外一个函数 recv则是一个阻塞调用的例子。当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用该函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。
非阻塞：非阻塞和阻塞的概念相对应，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。

上面这些概念都是教科书的概念，下面谈谈个人的理解。所谓同步就是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，一直会到函数（任务）完成。进程继续往下执行。而异步这不会这样，异步情况下是当一个进程发起一个函数（任务）调用的时候，不会等函数返回，而是继续往下执行当，函数返回的时候通过状态、通知、事件。等方式通知进程任务完成。

而阻塞和非阻塞的概念相对明了多了。阻塞是当请求不能满足的时候就试进程挂起，非阻塞则是直接返回。

它们的组合：（网络装载）

图 2 给出了传统的阻塞 I/O模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正 在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返 回）。

图 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程

从应用程序的角度来说，read 调用会延续很长时间。实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

PS. 我理解这里的意思是，read请求是阻塞的，也没有异步通知机制，因为应用程序一直在这个过程中等待，即一直在主动查询，所以是同步的。（顺序）

同步非阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 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），如图 3 所示。

图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程


非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。正如图 3 所示的一样，这个方法可以引入 I/O 操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

PS. 我理解这里的意思是，read请求是非阻塞的，但是这里没有异步通知机制，而需要应用程序主动查询，所以是同步的。（多次试探）

异步阻塞 I/O

另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞 I/O。在这种模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作。使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

图 4. 异步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)


select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是异步通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的 I/O 操作来说不建议使用。

PS. 我理解这里的意思是，read请求实际上是非阻塞的，但是在异步通知方式上，采用了阻塞的slect系统调用，导致应用程序被阻塞，所以虽然异步，但任然阻 塞。（等待通知，自己完成）

异步非阻塞 I/O（AIO）

最后，异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执 行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

图 5. 异步非阻塞 I/O 模型的典型流程


在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时，CPU 可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。

PS. 我理解这里的意思是，read请求实际上是非阻塞的，但是在异步通知方式上，采用了回调函数，无需应用程序再去处理。（委托完成）

异步 I/O 的动机

从前面 I/O 模型的分类中，我们可以看出 AIO 的动机。阻塞模型要求在 I/O 操作开始时阻塞应用程序，这意味着不可能同时重叠进行处理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允许处理和 I/O 操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查 I/O 操作的状态。这样就剩下异步非阻塞 I/O 了，它允许处理和 I/O 操作重叠进行，包括 I/O 操作完成的通知。


这里我要特别强调一下异步IO和非阻塞IO的区别，异步IO就是把IO提交给系统，让系统替你做，做完了再用某种方式通知你；非阻塞IO就是你要通过某种方式不定时地向系统询问你是否可以开始做某个IO，当可以开始后，还是要自己来完成IO