IO模型 - 同步，异步，阻塞，非阻塞

作者：historyasamirror

原文地址：https://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

参考：https://www.nowcoder.com/discuss/345958?type=2&order=3&pos=4&page=1

总结：

阻塞式IO：当用户进程对服务请求时，服务器在返回数据的过程中，用户线程阻塞在调用处，直到数据返回才继续执行。 非阻塞式IO：当用户请求数据时会立即得到一个回复，即使数据报还没准备好，不会阻塞用户线程的其他执行操作 异步IO：用户发出请求后会立即得到一个回复，不阻塞用户的其他执行，当数据准备好后会通知用户。

同步（synchronous） IO 和异步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO 和非阻塞（non-blocking）IO 分别是什么，到底有什么区别？这个问题其实不同的人给出的答案都可能不同，比如 wiki，就认为 asynchronous IO 和 non-blocking IO 是一个东西。这其实是因为不同的人的知识背景不同，并且在讨论这个问题的时候上下文(context)也不相同。所以，为了更好的回答这个问题，我先限定一下本文的上下文。

本文讨论的背景是 Linux 环境下的 network IO。

本文最重要的参考文献是 Richard Stevens 的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2 节“I/O Models ”，Stevens 在这节中详细说明了各种 IO 的特点和区别，如果英文够好的话，推荐直接阅读。Stevens 的文风是有名的深入浅出，所以不用担心看不懂。本文中的流程图也是截取自参考文献。

Stevens 在文章中一共比较了五种 IO Model：

• blocking IO
• nonblocking IO
• IO multiplexing
• signal driven IO
• asynchronous IO

由于 signal driven IO 在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种 IO Model。

再说一下 IO 发生时涉及的对象和步骤。

对于一个 network IO (这里我们以 read 举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个 IO 的 process (or thread)，另一个就是系统内核(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 (Waiting for the data to be ready)
2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

记住这两点很重要，因为这些 IO Model 的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

1. blocking IO

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 执行的两个阶段都被 block 了。

2. non-blocking IO

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，用户进程其实是需要不断的主动询问 kernel 数据好了没有。

3. IO multiplexing

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 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 system call (select 和 recvfrom)，而 blocking IO 只调用了一个 system call (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。）

在 IO multiplexing Model 中，实际中，对于每一个 socket，一般都设置成为 non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的 process 其实是一直被 block 的。只不过 process 是被 select 这个函数 block，而不是被 socket IO 给 block。

4. Asynchronous I/O

linux 下的 asynchronous IO 其实用得很少。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。

到目前为止，已经将四个 IO Model 都介绍完了。现在回过头来回答最初的那几个问题：

blocking 和 non-blocking 的区别在哪，synchronous IO 和 asynchronous IO 的区别在哪。

先回答最简单的这个：blocking vs non-blocking。前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。调用 blocking IO 会一直 block 住对应的进程直到操作完成，而 non-blocking IO 在 kernel 还准备数据的情况下会立刻返回。

在说明 synchronous IO 和 asynchronous IO 的区别之前，需要先给出两者的定义。Stevens 给出的定义（其实是 POSIX 的定义）是这样子的：

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 system call。non-blocking IO 在执行 recvfrom 这个 system call 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。

各个 IO Model 的比较如图所示：

经过上面的介绍，会发现 non-blocking IO 和 asynchronous IO 的区别还是很明显的。在 non-blocking IO 中，虽然进程大部分时间都不会被 block，但是它仍然要求进程去主动的 check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用 recvfrom 来将数据拷贝到用户内存。而 asynchronous IO 则完全不同。它就像是用户进程将整个 IO 操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查 IO 操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

最后，再举几个不是很恰当的例子来说明这四个 IO Model:

有 A，B，C，D 四个人在钓鱼：

A 用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；

B 的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，B 就和旁边的 MM 聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；

C 用的鱼竿和 B 差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；

D 是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给 D 发个短信。