0%

阻塞和非阻塞、同步和异步的概念详解

发表于 更新于 分类于 阅读次数：
本文字数： 2k 阅读时长 ≈ 3 分钟

我个人对于网络编程有着强烈的兴趣，最近打算开始看 muduo 的网络库，了解到其构建了基于 Reactor 的事件处理机制，本质涉及 I/O 多路复用的知识。为了后续的理解，首先搞清楚一个有无数讲解却又令人费解的概念：阻塞和非阻塞、同步和异步。

首先需要搞清楚的一件事，就是对于 Linux 系统， I/O 操作不是一步完成的。此处的 I/O 操作是一个通用型的概念，对于 socket 通信，也可以看作一个 I/O 操作过程，只不过操作的是网络对象。

I/O 操作一般分为两个部分：

  • 应用程序发起 I/O 操作请求，等待数据，或者将要操作的数据拷贝到系统内核中（比如 socket）。
  • 系统内核进行 I/O 操作（一般是内核将数据拷贝到用户进程中）。

了解了这个大前提，我们再来看上述四个概念

阻塞和非阻塞

首先明确一点：阻塞和非阻塞发生在请求处，关注的是程序在等待调用结果时的状态。

上面的概念非常重要，很明确地指出了阻塞的要点，应用程序进程（线程）进行 I/O 请求被阻塞了。很容易理解下面的结论：

  • 阻塞调用是指调用结果返回之前，当前进程（线程）会被挂起。调用进程（线程）阻塞在 I/O 操作请求处，直到 I/O 操作请求完成，数据到来，最重要的是用户进程的函数在请求的过程中不会返回。
  • 非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，该调用不会阻塞当前进程（线程），进程（线程）可以去干别的事情。一般使用轮询的方式来查询 I/O 操作数据是否准确好了。

理解上面概念的一个要点是请求的结果是否立即返回，同时需要注意的是，结果立即返回，不代表 I/O 操作完成，阻塞和非阻塞只关注请求是否立即获得结果。

默认的 socket 是阻塞的，用户进程发起 system call 之后，内核等待数据从 socket 接收，用户进程等待内核拷贝数据回用户缓冲区，整个过程中，进程调用函数是阻塞在调用处的，一直到数据拷贝到用户进程的缓冲区，返回数据的长度，调用完成，继续执行。

当使用 I/O 多路复用的时候，用户的 I/O 操作会立即返回，但会利用 select 和 epoll 等方法对所监视的 I/O 操作描述符进行遍历轮询（此操作是为了检查数据是否准备完毕，也就是 I/O 操作的第一部分，同时此操作是阻塞，进程或者线程需要等待轮询结果的返回），查看可用的句柄并返回。然后用户进程再对其进行操作。

I/O 操作是否阻塞，可以通过其文件描述符的状态来设定。

同步和异步

同样需要明确一点：同步和异步关注的是消息通信机制，具体来说就是调用者是否等待调用结果的返回，对于 I/O 操作而言，就是应用程序是否等待 I/O 操作完成。

注意：此处的 I/O 操作一般是指上文中 I/O 操作中的两部分的第二部分。

这一点该怎么理解呢？还是得结合上述的 I/O 操作的两步来理解。同步和异步其实就是指 I/O 操作的第二部分，也就是进行具体 I/O 操作过程中，用户进程是否等待 I/O 操作结果返回。

结合前面的概念，可以看出，其实这两者存在本质的区别，它们的修饰对象是不同的。

  • 阻塞和非阻塞是指进程访问的数据如果尚未就绪，进程是否需要等待，简单说这相当于函数内部的实现区别，也就是未就绪时是直接返回还是等待就绪。
  • 同步和异步是指访问数据的机制，同步一般指主动请求并等待 I/O 操作完毕的方式，当数据就绪后在读写的时候必须等待，异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务，随后等待 I/O，操作完毕的通知，这可以使进程在数据读写时也不阻塞。

网上有一个银行办业务的例子说的很明白：

你去银行办业务，前面有人（数据未就绪），你可以自己排队（阻塞），也可以拿号然后干别的（非阻塞），然后隔一会询问一下是否到你了（轮询）。你可以自己去银行办这些事（同步），如果你工作比较忙，也可以委托银行的经理帮你办理这些事，然后告诉你结果（异步）。所以说只有同步的时候，才会有是否阻塞之说。

I/O 模型

根据上述概念的组合，我们可以将常见的 I/O 操作归属不同的 I/O 模型：

  • 同步模型（synchronous I/O ）
    • 阻塞 I/O （bloking I/O ）
      • 默认socket的 I/O 操作是阻塞的
    • 非阻塞 I/O （non-blocking I/O ）
      • 当 I/O 请求时，如果数据没有准备好，则返回一个错误，然后进程可以干其他事，隔段时间，重新请求，直到数据准备好，进入 I/O 操作，等待操作结果返回。
    • 多路复用 I/O （multiplexing I/O ）
      • 利用select和epoll等函数同时监视多个socket，本质上是非阻塞 I/O ，但这些监视函数在轮询时是阻塞的，因此将 I/O 请求阻塞在这些监视函数上了，用户进程不需要轮询数据是否准备好了。
    • 信号驱动式 I/O （signal-driven I/O ）
      • 系统会为监视的数据准备设置信号，用户进程进行 I/O 请求之后，不会阻塞，当内核数据准备完毕，会通过信号通知用户进程，随后进行 I/O 操作。
  • 异步 I/O （asynchronous I/O ）
    • 异步 I/O
      • 向内核中传递 I/O 操作参数，并立即返回。内核 I/O 操作完毕后，通过回调函数的方式通知用户进程。

关于这些 I/O 模型的概念，网上就太多重复的了，此处给出一篇参考：I/O 模型详解