同步,异步,阻塞和非阻塞的通俗理解

名词的通俗解释

同步, 就是要本身去轮询状态好了没有

异步, 就是会有信号通知你

阻塞, 就是当前线程什么活也不能干

非阻塞,  就是当前线程先去干其余的

网络IO的本质:

1. 等待网络上的数据分组到达，而后被复制到内核的某个缓冲区；
2. 把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区中；

阻塞IO模型:

　　# 1.进程运行, 而后经过recvfrom进行系统调用, 至关于调用了内核中的一个函数

　　# 2.系统从运行态转到内核态, 完成系统调用的相关操做, 此时本来的应用程序处于阻塞态(这个阻塞态是应用程序本身进行阻塞的)

　　# 3.系统从内核态回到运行态, 应用程序便从阻塞态进入就绪态

非阻塞IO模型:

　　就是轮询, 发出系统调用, 此时网络数据没有彻底写满到内核缓冲区的时候, 系统调用返回一个错误的状态码, 而后进程该干吗干吗.

　　以后不断重复上面这个动做, 知道内核缓冲去写满了, 系统调用返回一个正确的状态码

IO多路复用:

　　上面两个是内核和进程, 这里多加了两个进程一块儿玩, 一个是select, 一个是poll

　　1. 进程调用select, 而不是去进行系统调用

　　2. select只管看内核缓冲区里网络数据是否是写满了, 经过非阻塞轮询, 写满了以后, select就返回一个可读的状态码, 而后由select进行recvfrom的系统调用

 

1 例子

故事：老王烧开水。

出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。

老王想了想，有好几种等待方式

1.老王用水壶煮水，而且站在那里，无论水开没开，每隔必定时间看看水开了没。－同步阻塞

老王想了想，这种方法不够聪明。

2.老王仍是用水壶煮水，再也不傻傻的站在那里看水开，跑去寝室上网，可是仍是会每隔一段时间过来看看水开了没有，水没有开就走人。－同步非阻塞

老王想了想，如今的方法聪明了些，可是仍是不够好。

3.老王此次使用高大上的响水壶来煮水，站在那里，可是不会再每隔一段时间去看水开，而是等水开了，水壶会自动的通知他。－异步阻塞

老王想了想，不会呀，既然水壶能够通知我，那我为何还要傻傻的站在那里等呢，嗯，得换个方法。

4.老王仍是使用响水壶煮水，跑到客厅上网去，等着响水壶本身把水煮熟了之后通知他。－异步非阻塞

老王豁然，这下感受轻松了不少。

 

• 同步和异步

  同步就是烧开水，须要本身去轮询（每隔一段时间去看看水开了没），异步就是水开了，而后水壶会通知你水已经开了，你能够回来处理这些开水了。
  同步和异步是相对于操做结果来讲，会不会等待结果返回。

• 阻塞和非阻塞

  阻塞就是说在煮水的过程当中，你不能够去干其余的事情，非阻塞就是在一样的状况下，能够同时去干其余的事情。阻塞和非阻塞是相对于线程是否被阻塞。

其实，这二者存在本质的区别，它们的修饰对象是不一样的。阻塞和非阻塞是指进程访问的数据若是还没有就绪，进程是否须要等待，简单说这至关于函数内部的实现区别，也就是未就绪时是直接返回仍是等待就绪。
而同步和异步是指访问数据的机制,同步通常指主动请求并等待I/O操做完毕的方式,当数据就绪后在读写的时候必须阻塞,异步则指主动请求数据后即可以继续处理其它任务,随后等待I/O,操做完毕的通知,这可使进程在数据读写时也不阻塞。

 

2 详细介绍

网络IO的模型大体包括下面几种

• 同步模型（synchronous IO）======> 主动轮询IO, 线程主动去查看IO操做是否完成
  • 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）
异步IO（asynchronous IO）======> 等通知的IO模型, io操做好了,会有通知
• 异步IO

网络IO的本质是socket的读取，socket在linux系统被抽象为流，IO能够理解为对流的操做。对于一次IO访问，数据会先被拷贝到操做系统内核的缓冲区中，而后才会从操做系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的地址空间，因此通常会经历两个阶段：

1. 等待全部数据都准备好或者一直在等待数据，有数据的时候将数据拷贝到系统内核；
2. 将内核缓存中数据拷贝到用户进程中；

对于socket流而言：

1. 等待网络上的数据分组到达，而后被复制到内核的某个缓冲区；
2. 把数据从内核缓冲区复制到应用进程缓冲区中；

2.1 阻塞IO

2.1.1 介绍

这也是最经常使用的模型，默认状况下全部的套接字都是 阻塞 的；

咱们把recvfrom函数视为系统调用，由于咱们正区分进程和内核，系统调用通常都会从在应用进程空间中运行切换到内核空间中运行，一段时间后又再切换回来；

　　# 1.进程运行, 而后经过recvfrom进行系统调用, 至关于调用了内核中的一个函数

　　# 2.系统从运行态转到内核态, 完成系统调用的相关操做, 此时本来的应用程序处于阻塞态(这个阻塞态是应用程序本身进行阻塞的)

　　# 3.系统从内核态回到运行态, 应用程序便从阻塞态进入就绪态

应用进程从 进行系统调用 到 复制数据报到应用进程的缓冲区完成 的整段时间内是被阻塞的；在这个过程当中，要么正确到达，要么系统调用被信号打断；直到数据报被复制到用户进程完成后，用户进程才解除阻塞的状态，固然，这是用户进程本身进行的阻塞；

2.1.2 优势和缺点

• 优势：可以及时返回数据，无延迟；方便调试；
• 缺点：须要付出等待的代价；

2.2 非阻塞IO

2.2.1 介绍

非阻塞，当所请求的I/O操做非得把当前进程设置成睡眠才能完成时，不要把当前进程设置成睡眠，而是返回一个错误信息（数据报没有准备好的状况下），此时当前进程能够作其它的事情，不用阻塞；

前三次系统调用时都没有数据能够返回，内核均返回一个 EWOULDBLOCK，而且不会阻塞当前进程，直到第四次询问内核缓冲区是否有数据的时候，此时内核缓冲区中已经有一个准备好的数据，所以将内核数据复制到用户空间，此时系统调用则返回成功；

当一个应用进程像这样对一个非阻塞socket循环调用 recv/recvfrom 时，则称为轮询；应用进程持续轮询内核，以查看某个操做是否就绪，这么作每每消耗大量的CPU时间。

2.2.2 优势和缺点

• 优势：相较于阻塞模型，非阻塞不用再等待任务，而是把时间花费到其它任务上，也就是这个当前线程同时处理多个任务；

• 缺点：致使任务完成的响应延迟增大了，由于每隔一段时间才去执行询问的动做，可是任务可能在两个询问动做的时间间隔内完成，这会致使总体数据吞吐量的下降。

2.3 IO多路复用

2.3.1 介绍

有了I/O复用，咱们就能够调用 select或poll，让其阻塞在两个系统调用（1.询问数据是否准备好而且直到数据准备好才返回；2.内核是否把数据所有复制完成到用户进程）中的某一个之上

阻塞于 select 调用，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件的时候，则调用 recvfrom 把所读数据报复制到应用进程缓冲区；

以前的同步非阻塞方式须要用户进程不停的轮询，可是IO多路复用不须要不停的轮询，而是派别人去帮忙循环查询多个任务的完成状态，UNIX/Linux 下的 select、poll、epoll 就是干这个的；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---前者能够等待多个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，而后进程再进行recvform系统调用，将数据由内核拷贝到用户进程，固然这个过程是阻塞的。select或poll调用以后，会阻塞进程，与blocking IO阻塞不一样在于，此时的select不是等到socket数据所有到达再处理, 而是有了一部分数据（网络上的数据是分组到达的）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。

我认为上面那句话中存在两个重要点：1.对多个socket进行监听，只要任何一个socket数据准备好就返回可读；2.不等一个socket数据所有到达再处理，而是一部分socket的数据到达了就通知用户进程；

其实 select、poll、epoll 的原理就是不断的遍历所负责的全部的socket完成状态，当某个socket有数据到达了，就返回可读并通知用户进程来处理；

2.3.2 优势和缺点

• 优势：可以同时处理多个链接，系统开销小，系统不须要建立新的额外进程或者线程，也不须要维护这些进程和线程的运行，下降了系统的维护工做量，节省了系统资源。
• 缺点：若是处理的连结数目不高的话，使用select/epoll的web server不必定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。（由于阻塞能够保证没有延迟，可是多路复用是处理先存在的数据，因此数据的顺序则无论，致使处理一个完整的任务的时间上有延迟）

2.3.3 同步非阻塞和多线程＋同步阻塞

高并发的程序通常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。好比去某部门办事须要依次去几个窗口，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），而并行数是能够同时工做的物理资源数量（如 CPU 核数）。经过合理调度任务的不一样阶段，并发数能够远远大于并行度，这就是区区几个 CPU 能够支持上万个用户并发请求的奥秘。在这种高并发的状况下，为每一个任务（用户请求）建立一个进程或线程的开销很是大。而同步非阻塞方式能够把多个 IO 请求丢到后台去，这就能够在一个进程里服务大量的并发 IO 请求。

2.4 信号驱动式I/O模型

首先开启套接字的信号驱动式IO功能，而且经过 sigaction 系统调用安装一个信号处理函数，该函数调用将当即返回，当前进程没有被阻塞，继续工做；当数据报准备好的时候，内核则为该进程产生 SIGIO 的信号，随后既能够在信号处理函数中调用 recvfrom 读取数据报，而且通知主循环数据已经准备好等待处理，也能够通知主循环让它读取数据报；（其实就是一个待读取的通知和待处理的通知）；

2.5 异步式I/O模型

咱们调用 aio_read 函数，给内核传递描述符、缓冲区指针、缓冲区大小和文件偏移，而且告诉内核当整个操做完成时如何通知咱们。该函数调用后当即返回，不被阻塞；