概念理解

在编程的时候，我们经常谈到：同步（synchronous）、异步（asynchronous）、阻塞（blocking）、非阻塞(noblocking)

同步（synchronous）：就是需要完成某个操作时，在没有完成之前我们会一直等待，直到操作完成才会进行下一个操作，也就是必须要完成一件事才能进行下一件事的处理。

异步（asynchronous）：就是发出一个调用的时候，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、回调等来通知调用者调用成功了。比如boost库里面的aio_类函数。

阻塞（blocking）：就是调用一个函数或方法时，当前线程会被挂起，直到结果完成线程才被重新唤起，然后从函数返回。有人或许会把阻塞和同步等同起来，但实际他们是不同的，对于同步调用来说，可能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，同步强调做完一件事再做一件事，而阻塞强调进程或线程的挂起。当然，假如一个函数的实现是循环等待结果，然后才返回，那么我调用这个函数我可以说这个函数阻塞了我的执行流程，而函数的实现者可以说他是采用同步的思想设计的这个函数，所以关于阻塞和同步概念上的理解，我个人觉得是需要根据上下文的。

非阻塞（noblocking）：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。

说完上面几个概念之后，我们谈谈在Stevens的UNP一书中提到了五种IO模型：

1. 阻塞IO（blocking IO）
2. 非阻塞IO（noblocking IO）
3. 多路复用IO（IO multiplexing）
4. 信号驱动IO（signal drive IO）
5. 异步IO（asynchronous IO）

这五种IO模型又可以分为两大类：同步IO、异步IO

前4种都是同步IO，只有第5种是异步IO。

在解释他们是怎被划分的之前，我们还需要了解一下IO发生时涉及的对象和步骤：

• 对于个network IO（这里以read为例子），它会涉及两个系统对象，一个是调用这个IO的proccess（or thread），另一个是kernel。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：1）等待数据准备；2）将数据从内核拷贝到进程中。记住这两点很重要，因为这些IO模型的区别就是在这两个阶段上有不同的情况。

阻塞IO模型

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：

当调用recv()函数时，系统首先查是否有准备好的数据。如果数据没有准备好，那么系统就处于等待状态。当数据准备好后，将数据从系统缓冲区复制到用户空间，然后该函数返回。在套接字应用程序中，当调用recv()函数读取套接字时，未必用户空间就已经存在数据，那么此时recv()函数就会处于等待状态。

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（等待数据和拷贝数据两个阶段）都被block了。

非阻塞IO模型

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，在非阻塞式IO中，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据准备好了没有。

多路复用IO模型

IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select/epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为事件驱动IO(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会不断的轮询所负责的所有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系统调用(select和recvfrom)，而blocking IO只调用了一个系统调用(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。）

信号驱动IO

首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。

异步IO

Linux下的asynchronous IO其实用得不多，从内核2.6版本才开始引入。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。

同步IO和异步IO怎区分？

看看POSIX给这两类IO的定义：

• A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
• An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个系统调用。non-blocking IO在执行recvfrom这个系统调用的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

因此，异步IO是真正非阻塞IO调用的，它不会对请求进程产生任何的阻塞，因此对高并发的网络服务器实现至关重要。