基礎概念：

同步、異步、阻塞、非阻塞

同步 & 異步

同步與異步是針對多個事件(線程/進程)來說的。

• 如果事件A需要等待事件B的完成才能完成，這種串行執行機制可以說是同步的，這是一種可靠的任務序列，要麽都成功，要麽都失敗。
• 如果事件B的執行不需要依賴事件A的完成結果，這種並行的執行機制可以說是異步的。事件B不確定事件A是否真正完成，所以是不可靠的任務序列。

同步異步可以理解為多個事件的執行方式和執行時機如何，是串行等待還是並行執行。同步中依賴事件等待被依賴事件的完成，然後觸發自身開始執行，異步
中依賴事件不需要等待被依賴事件，可以和被依賴事件並行執行，被依賴事件執行完成後，可以通過回調、通知等方式告知依賴事件。

阻塞 & 非阻塞

阻塞與非阻塞是針對單一事件(線程/進程)來說的。

• 對於阻塞，如果一個事件在發起一個調用之後，在調用結果返回之前，該事件會被一直掛起，處於等待狀態。
• 對於非阻塞，如果一個事件在發起調用以後，無論該調用當前是否得到結果，都會立刻返回，不會阻塞當前事件。

阻塞與非阻塞可以理解為單個事件在發起其他調用以後，自身的狀態如何，是苦苦等待還是繼續幹自己的事情。非阻塞雖然能提高CPU利用率，但是也帶來了系統線程切換的成本，需要在CPU執行時間和系統切換成本之間好好估量一下。

同步阻塞

應用程序執行系統調用，應用程序會一直阻塞，直到系統調用完成。應用程序處於不再消費CPU而只是簡單等待響應的狀態。當響應返回時，數據被移動到用戶空間的緩沖區，應用程序解除阻塞。

同步阻塞I/O模型.

同步非阻塞

設備以非阻塞形式打開，I/O操作不會立即完成，read操作可能會返回一個錯誤代碼。應用程序可以執行其他操作，但需要請求多次I/O操作，直到數據可用。

同步非阻塞形式實際上是效率低下的，因為：

• 應用程序需要在不同的任務之間切換。異步非阻塞是你只需要執行當前任務，系統調用會主動通知你，不用頻繁切換。
• 數據在內核中變為可用到調用read返回數據之間存在時間間隔，會造成整體數據吞吐量降低

異步非阻塞

應用程序的其他處理任務與I/O任務重疊進行。讀請求會立即返回，說明請求已經成功發起，應用程序不被阻塞，繼續執行其它處理操作。當read響應到達，將數據拷貝到用戶空間，產生信號或者執行一個基於線程回調函數完成I/O處理。應用程序不用在多個任務之間切換。

非阻塞I/O和異步I/O區別在於，在非阻塞I/O中，雖然進程大部分時間不會被block，但是需要不停的去主動check，並且當數據準備完成以後，也需要應用程序主動調用recvfrom將數據拷貝到用戶空間；異步I/O則不同，就像是應用程序將整個I/O操作交給了內核完成，然後由內核發信號通知。期間應用程序不需要主動去檢查I/O操作狀態，也不需要主動從內核空間拷貝數據到用戶空間。

非阻塞I/O看起來是non-blocking的，但是只是在內核數據沒準備好時，當數據準備完成，recvfrom需要從內核空間拷貝到用戶空間，這個時候其實是被block住的。而異步I/O是當進程發起I/O操作後，再不用主動去請求，知道內核數據準備好並發出信號通知，整個過程完全沒有block。

文件描述符（基礎概念補充）

文件描述符用於表示指向文件引用的抽象畫概念。在形式上是一個非負整數，實際上是一個索引值，指向內核為每一個進程維護的該進程打開文件的記錄表。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回個文件描述符。

Linux 系統中，包括文件、設備在內的許多事物的操作都被當成文件來操作，當 Linux 系統對文件操作時都會調用操作系統的系統調用，然後該系統調用返回一個文件描述符。在 Linux 系統中對網絡 I/O 的操作同樣也會返回相應的 Socket 文件描述符。

Linux 操作系統總共有 5 種網絡 I/O 模型

l 阻塞I/O

l 非阻塞I/O

l I/O復用（select、poll、linux 2.6種改進的epoll）

l 信號驅動IO（SIGIO）

l 異步I/O（POSIX的aio_系列函數）

阻塞 I/O 模型

阻塞 I/O 模型是在操作系統發起系統調用調用之後，要等到操作系統系統內核所有的 I/O 操作完成才返回。阻塞 I/O 模型的內核態調用過程如下：首先操作系統內核調用 recvfrom（）方法，調用之後進程進入阻塞狀態，等待數據包達到。如果數據包到達或者在執行過程中出現 I/O 等方面的錯誤時才會調用完成，代碼返回。阻塞 I/O 模型的特征主要是：當調用者使用阻塞 I/O 系統調用時，在 I/O 操作在內核態完成所有操作前，調用者會一直在這個點等待等待，處於阻塞狀態；只有在操作系統內核完成了相應的操作之後函數才返回，調用者才能繼續執行下面的代碼。

非阻塞 I/O 模型是：進程使用非阻塞 I/O 系統調用時，如果系統由於繁忙等原因不能立即返回相應操作的結果，則該 I/O 函數會置相應的錯誤號並且立即返回，而不是和阻塞 I/O 操作一樣，等待數據到來。非阻塞 I/O 模型的內核態調用過程如下：當調用 recvfrom（）方法時，內核馬上給該系統調用返回錯誤碼。當再次調用recvfrom（）方法時，如果操作系統的數據已經就緒，則會將數據復制到緩存區等待讀取，同時 recvfrom（）方法返回成功。如果操作系統的數據沒有準備好，則繼續返回錯誤碼

I/O 復用模型

I/O 復用模型中，系統會首先構造一張有關文件或者 Socket 描述符的列表，然後調用一個特定的函數，當至少有一個描述符準備好進行 I/O 操作時，函數才會返回結果。此時進程就能夠獲取到可進行 I/O 操作的描述符集合。Linux 提供了select()/poll()接口來執行多路復用的功能

然而，select/poll 依次掃描文件描述符，依次判斷文件描述符是否就緒。但是由於 select/poll 所能使用的文件描述符數量有限，因此它在實際使用過程中會有些限制。為了解決 select/poll 順序掃描效率低下的問題，Linux 系統還有一種基於事件驅動方式的系統調用 epoll。由於 epoll 根據事件來查詢文件描述符，因此性能會高很多。當有文件描述符的狀態就緒時，模型馬上執行之前傳入的回調函數。

多路復用的本質是同步非阻塞I/O，多路復用的優勢並不是單個連接處理的更快，而是在於能處理更多的連接。

I/O編程過程中，需要同時處理多個客戶端接入請求時，可以利用多線程或者I/O多路復用技術進行處理。
I/O多路復用技術通過把多個I/O的阻塞復用到同一個select阻塞上，一個進程監視多個描述符，一旦某個描述符就位， 能夠通知程序進行讀寫操作。因為多路復用本質上是同步I/O，都需要應用程序在讀寫事件就緒後自己負責讀寫。
最大的優勢是系統開銷小，不需要創建和維護額外線程或進程。

• 應用場景
• 服務器需要同時處理多個處於監聽狀態或者多個連接狀態的套接字
• 需要同時處理多種網絡協議的套接字
• 一個服務器處理多個服務或協議

目前支持多路復用的系統調用有select, poll, epoll。

信號驅動 I/O 模型

在信號驅動的 I/O 模型中，實現了真正意義上的異步形式的通知，通過信號機制來獲取描述符的狀態信息。首先在等待的描述符上註冊回調函數，當事件發生後，回調函數負責將描述符狀態寫入用戶空間並通知相關進程，對於某個描述符，

發生了所關心的事件。之後就可以在處理程序中調用 recvfrom()方法來讀數據

異步 I/O

這種模型是真正意義上的異步。應用進程發起一個系統調用後，會馬上返回，可以執行其他的操作。 但該調用會讓內核觸發一個操作，完成數據從內核拷貝到用戶自己的緩沖區，操作完成後，內核會通知進程，然後進程對放在緩沖區的數據再進行處理。如圖

同步IO和異步IO

• 同步IO操作導致請求進程阻塞，直到IO操作完成
• 異步IO操作不導致請求進行阻塞

從理論上講，非阻塞IO、阻塞IO、IO復用和信號驅動IO都是同步IO模型。因為這四種IO模型中，IO的讀寫操作，都是在IO事件發生之後，由應用進程來完成的。而POSIX規範所定義的異步IO模型則不同。對異步IO而言，用戶可以直接對IO執行讀寫操作，這些操作告訴內核用戶讀寫緩沖區的位置，以及IO操作完成之後內核通知應用程序的方式。異步IO的讀寫操作總是立即返回，而不論IO是否是阻塞的，因為真正的讀寫操作已經由內核接管。也就是說，同步IO模型要求用戶代碼自行執行IO操作（將數據從內核緩沖區讀入用戶緩沖區，或將數據從用戶緩沖區寫入內核緩沖區），而異步IO機制則由內核來執行IO操作（數據在內核緩沖區和用戶緩沖區之間的移動是由內核在“後臺”完成的）。你可以這樣認為，同步IO向應用程序通知的是IO就緒事件，而異步IO向應用程序通知的是IO完成事件。

資料來源：https://www.cnblogs.com/wuchanming/p/4442146.html作者：Jessica程序猿
鏈接：https://www.jianshu.com/p/439e8b349f48

作者：rainybowe
來源：簡書
https://blog.csdn.net/moakun/article/details/81042877作者：茅坤寶駿氹

論文：基於Netty的高可服務消息中間件的研究與實現_崔曉旻

基於Netty的消息中間件的研究與實現_夏斐

常見的網絡 I/O 模型