同步/非同步，阻塞/非阻塞

一提到網路程式設計中的 I/O 模型，總會涉及到這幾個概念，但是這幾個名詞又容易混淆，於是我想總結一下。

我們先看一下在《UNIX網路程式設計：卷一》中講到的5中 UNIX 下的 I/O 模型，分別是

• 阻塞式 I/O
• 非阻塞式 I/O
• I/O 複用
• 訊號驅動式 I/O
• 非同步 I/O

五種 I/O 模型

阻塞式 I/O 模型

預設情況下，所有的套接字都是阻塞的。使用者程序執行系統呼叫 recvfrom 時，會導致應用程序阻塞，什麼也不幹，直到核心把資料準備好，並且將資料從核心複製到使用者程序，最後使用者程序再處理資料。在等待資料到處理資料的兩個階段，整個程序都被阻塞，不能做別的事情，此程序不再擁有 cpu 時間片，只是簡單的等待響應的狀態，因此從處理的角度來看，這是非常有效的。

當用戶程序呼叫 recvfrom/recv 時，核心就開始了 IO 的第一個階段，準備資料（對於網路IO 來說，很多時候資料在一開始還沒有到達。比如還沒有收到一個完整的 UDP 包，這時核心就需要等待資料到來）。資料被拷貝到核心的緩衝區是需要一個過程的。在使用者程序這裡，程序會被阻塞。第二個階段，當核心將資料準備好了，會將資料從核心拷貝到使用者程序然後核心返回結果，使用者程序解除阻塞狀態。即阻塞式 IO 在 IO 執行階段的兩個過程中都被阻塞了。

優點：能夠及時返回資料，無延時。
缺點：需要使用者程序一直處於等待狀態。

非阻塞式 IO

程序把一個套接字設定為非阻塞時，通知核心當所請求的 IO 操作非得把本程序投入睡眠狀態才能完成時，不要把程序投入睡眠，而是返回一個錯誤。也就是說非阻塞的 recvfrom 被呼叫後，程序不會被阻塞，核心馬上返回給程序，如果資料還沒有準備好，會返回一個error。程序在返回之後，可以做一些其他事情，然後再呼叫 recvfrom 。重複上述過程，迴圈的呼叫 recvfrom。這個過程通常被稱為輪詢。輪詢檢查核心資料，直到資料準備好，再拷貝資料到程序，進行資料處理。這裡需要注意一點，在拷貝資料的過程中，程序仍然處於阻塞狀態。以下為非阻塞套接字呼叫 recvfrom 時的操作

優點：可以在等待任務完成的時間內做其它事了。
缺點：任務完成的響應延遲增大了，因為沒過一段時間才會去檢查一次，而任務可能在兩次查詢之間的時刻內完成。

IO 複用

非阻塞式 IO 需要不斷主動輪詢，輪詢佔據了很大一部分過程，會消耗大量 cpu 資源，如果核心可以幫我們迴圈查詢多個任務的完成狀態，有要有任何一個任務完成，會告訴程序就好了。這就是 IO 多路複用，對應的有 select，poll，epoll 這些函式。select 輪詢相對於非阻塞式的輪詢的區別在於，select 可以等待多個 socket，能同時對多個 IO 埠進行監聽，當其中任何一個 socket 的資料準備好了，都可以知道，然後程序再進行 recvfrom 呼叫，將核心資料拷貝到使用者程序，當然這個過程是阻塞的。

IO 複用的好處就在於單個程序/執行緒就可以同時處理多個網路連線的 IO。它的基本原理就是不斷的輪詢所負責的所有 socket，當某個 socket 有資料到達時，就通知使用者程序。當用戶程序呼叫了 select，那麼整個程序會被阻塞，同時核心會監視所有 select 負責的socket，select 會在指定的時間內（由引數設定）返回準備好的 socket 的個數，這個時候使用者程序再呼叫 read 操作，資料從核心拷貝到使用者程序。

上圖和阻塞式 IO 的圖其實並沒有太大的不同，事實上，要差一些。因為這裡需要使用兩個系統呼叫，而阻塞式 IO 只使用了一個，select 的優勢在於可以同時處理多個連線。

在 IO 多路複用中，對於每一個 socket，一般設定為非阻塞的，但是，如上圖所示，使用者程序其實是一直被阻塞的，只不過是阻塞在 select 上，而不是被 socket IO 給阻塞。

訊號驅動式 IO

先註冊一個訊號處理函式，程序繼續執行並不阻塞，當資料準備好時，程序會收到一個SIGIO 訊號，可以在訊號處理函式中呼叫 IO 操作函式處理資料。

非同步 IO

呼叫類似於 aio_read 等函式之後，無論核心是否將資料準備好，此類函式都會直接返回。然後使用者態程序可以去做其他事情。等到 soecket 資料準備好了，核心直接複製資料給程序。然後從核心向程序傳送通知。

當用戶程序呼叫 aio_read 之後，立刻就可以去做其他事情，從核心來看，當它收到一個非同步呼叫之後，它會立刻返回，所以不會阻塞使用者程序。然後，核心會等待資料準備完成，然後將資料拷貝到使用者程序。然後核心會給使用者程序傳送一個訊號，或執行一個回撥函式來完成這次的 IO 處理過程，告訴使用者程序操作完成。

同步與非同步

同步和非同步這兩個概念關注的訊息的通知機制。

• 同步，就是請求一個‘呼叫’時，在沒有得到結果之前，該呼叫不返回，但是該呼叫一旦返回，就可以得到呼叫結果。即‘呼叫者’主動等待‘呼叫’結果。
• 非同步，是在發出一個‘呼叫’後，這個呼叫就直接返回了，沒有返回結果。即一個非同步過程呼叫發出後，呼叫者不會立刻得到結果，而是在‘呼叫’發出後’，由‘被呼叫者’通過狀態，通知來通知呼叫者，或者通過回撥函式來處理這個呼叫。

舉一個例子，我打電話給書店老闆問他有沒有 《c++ primer》這本書，我需要購買一本，老闆可能會說（同步方式），不好意思麻煩你等稍等一會，我查一下，等他查好了（可能是幾分鐘，也可能幾個小時）告訴你結果（返回結果）。而老闆也有可能會說（非同步方式），不好意思，我需要查一下，查完了我打會電話通知你，然後老闆掛掉了電話（不返回結果）。等老闆查好後，他會給你打電話通知你結果。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞關注的是程序在等待呼叫結果時的狀態。

• 阻塞，是指在呼叫結果返回之前，當前程序被掛起，呼叫程序只有在得到結果後才會返回。
• 非阻塞，是指在不能立即得到呼叫結果時，該呼叫不會阻塞當前程序。

繼續上面的例子，當我打電話詢問書店老闆有沒有 《c++ primer》這本書時，我可能會一直在電話前等待（阻塞），直到獲取書店裡到底有沒有這本書的結果，我才去做其他事情。我也可能會不管老闆有沒有給我回復，就去一邊玩去了，當然我還惦記著買書這件事，時不時檢查一下老闆有沒有給我結果。
需要注意的是這裡阻塞與非阻塞與是否同步，非同步無關，跟老闆以何種方式通知我無關。

總結

在瞭解了五種 IO 模型，同步，非同步，阻塞，非阻塞的概念之後，可以得知，同步和非同步是站在‘被呼叫者’的角度出發的，描述的是被呼叫者的通知方式，是等待我完成一件事後才返回給發起呼叫者結果（同步），還是先告訴發起呼叫者我完成後會用哪種方式通知你（非同步）。而阻塞是在發起呼叫者的角度出發的，描述的是發起呼叫者在等待結果時的狀態。是一直等待被呼叫事件的完成，還是在等待期間可以去做其它事情。以上就是我在學習這些知識的過程中的理解，如果有誤，還請大家指出。