同步與異步IO、阻塞與非阻塞IO

很多時候我們常常看到同步與異步,阻塞與非阻塞的出現。有的地方直接將同步與阻塞畫上了等號。異步與非阻塞畫上了等號。事實上這是不對的。同步不等於阻塞,而異步也不等於非阻塞。下面就來仔細的看看同步與異步、阻塞與非阻塞的概念差別,及他們的組合應用。
同步:所謂同步,就是在發出一個功能調用時,在沒有得到結果之前,該調用就不返回。按照這個定義,其實絕大多數函數都是同步調用(例如sin, isdigit等)。但是一般而言,我們在說同步、異步的時候,特指那些需要其他部件協作或者需要一定時間完成的任務。最常見的例子就是 SendMessage。該函數發送一個消息給某個窗口,在對方處理完消息之前,這個函數不返回。當對方處理完畢以後,該函數才把消息處理函數所返回的 LRESULT值返回給調用者
異步:異步的概念和同步相對。當一個異步過程調用發出後,調用者不能立刻得到結果。實際處理這個調用的部件在完成後,通過狀態、通知和回調來通知調用者。以 CAsycSocket類爲例(注意,CSocket從CAsyncSocket派生,但是起功能已經由異步轉化爲同步),當一個客戶端通過調用 Connect函數發出一個連接請求後,調用者線程立刻可以朝下運行。當連接真正建立起來以後,socket底層會發送一個消息通知該對象。
這裏提到執行部件和調用者通過三種途徑返回結果:狀態、通知和回調。可以使用哪一種依賴於執行部件的實現,除非執行部件提供多種選擇,否則不受調用者控制。如果執行部件用狀態來通知,那麼調用者就需要每隔一定時間檢查一次,效率就很低(有些初學多線程編程的人,總喜歡用一個循環去檢查某個變量的值,這其實是一種很嚴重的錯誤)。如果是使用通知的方式,效率則很高,因爲執行部件幾乎不需要做額外的操作。至於回調函數,其實和通知沒太多區別
阻塞:阻塞調用是指調用結果返回之前,當前線程會被掛起。函數只有在得到結果之後纔會返回。
有人也許會把阻塞調用和同步調用等同起來,實際上他是不同的。對於同步調用來說,很多時候當前線程還是激活的,只是從邏輯上當前函數沒有返回而已。例如,我們在 CSocket中調用Receive函數,如果緩衝區中沒有數據,這個函數就會一直等待,直到有數據才返回。而此時,當前線程還會繼續處理各種各樣的消息。如果主窗口和調用函數在同一個線程中,除非你在特殊的界面操作函數中調用,其實主界面還是應該可以刷新。
socket接收數據的另外一個函數recv則是一個阻塞調用的例子。當socket工作在阻塞模式的時候,如果沒有數據的情況下調用該函數,則當前線程就會被掛起,直到有數據爲止。
非阻塞:

   阻塞阻塞的概念相對應,指在不能立刻得到結果之前,該函數不會阻塞當前線程,而會立刻返回。

上面這些概念都是教科書的概念,下面談談個人的理解。所謂同步就是當一個進程發起一個函數(任務)調用的時候,一直會到函數(任務)完成。進程繼續往下執行。而異步這不會這樣,異步情況下是當一個進程發起一個函數(任務)調用的時候,不會等函數返回,而是繼續往下執行當,函數返回的時候通過狀態、通知、事件等方式通知進程任務完成。

而阻塞和非阻塞的概念相對明瞭多了。阻塞是當請求不能滿足的時候就試進程掛起,非阻塞則是直接返回。

它們的組合:(網絡裝載)

圖 2 給出了傳統的阻塞 I/O 模型,這也是目前應用程序中最爲常用的一種模型。其行爲非常容易理解,其用法對於典型的應用程序來說都非常有效。在調用 read 系統調用時,應用程序會阻塞並對內核進行上下文切換。然後會觸發讀操作,當響應返回時(從我們正在從中讀取的設備中返回),數據就被移動到用戶空間的緩衝區中。然後應用程序就會解除阻塞(read 調用返回)。

圖 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程
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從應用程序的角度來說,read 調用會延續很長時間。實際上,在內核執行讀操作和其他工作時,應用程序的確會被阻塞。

PS. 我理解這裏的意思是,read請求是阻塞的,也沒有異步通知機制,因爲應用程序一直在這個過程中等待,即一直在主動查詢,所以是同步的。(順序)

同步非阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中,設備是以非阻塞的形式打開的。這意味着 I/O 操作不會立即完成,read 操作可能會返回一個錯誤代碼,說明這個命令不能立即滿足(EAGAIN 或 EWOULDBLOCK),如圖 3 所示。

圖 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
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非阻塞的實現是 I/O 命令可能並不會立即滿足,需要應用程序調用許多次來等待操作完成。這可能效率不高,因爲在很多情況下,當內核執行這個命令時,應用程序必須要進行忙碌等待,直到數據可用爲止,或者試圖執行其他工作。正如圖 3 所示的一樣,這個方法可以引入 I/O 操作的延時,因爲數據在內核中變爲可用到用戶調用 read 返回數據之間存在一定的間隔,這會導致整體數據吞吐量的降低。

PS. 我理解這裏的意思是,read請求是非阻塞的,但是這裏沒有異步通知機制,而需要應用程序主動查詢,所以是同步的。(多次試探)

異步阻塞 I/O

另外一個阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞 I/O。在這種模型中,配置的是非阻塞 I/O,然後使用阻塞 select系統調用來確定一個 I/O 描述符何時有操作。使 select 調用非常有趣的是它可以用來爲多個描述符提供通知,而不僅僅爲一個描述符提供通知。對於每個提示符來說,我們可以請求這個描述符可以寫數據、有讀數據可用以及是否發生錯誤的通知。

圖 4. 異步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)
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select 調用的主要問題是它的效率不是非常高。儘管這是異步通知使用的一種方便模型,但是對於高性能的 I/O 操作來說不建議使用。

PS. 我理解這裏的意思是,read請求實際上是非阻塞的,但是在異步通知方式上,採用了阻塞的select系統調用,導致應用程序被阻塞,所以雖然異步,但任然阻塞。(等待通知,自己完成)

異步非阻塞 I/O(AIO)

最後,異步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進行的模型。讀請求會立即返回,說明 read 請求已經成功發起了。在後臺完成讀操作時,應用程序然後會執行其他處理操作。當 read 的響應到達時,就會產生一個信號或執行一個基於線程的回調函數來完成這次 I/O 處理過程。

圖 5. 異步非阻塞 I/O 模型的典型流程
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在一個進程中爲了執行多個 I/O 請求而對計算操作和 I/O 處理進行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O 速度之間的差異。當一個或多個 I/O 請求掛起時,CPU 可以執行其他任務;或者更爲常見的是,在發起其他 I/O 的同時對已經完成的 I/O 進行操作。

PS. 我理解這裏的意思是,read請求實際上是非阻塞的,但是在異步通知方式上,採用了回調函數,無需應用程序再去處理。(委託完成)

異步 I/O 的動機

從前面 I/O 模型的分類中,我們可以看出 AIO 的動機。阻塞模型要求在 I/O 操作開始時阻塞應用程序,這意味着不可能同時重疊進行處理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允許處理和 I/O 操作重疊進行,但是這需要應用程序根據重現的規則來檢查 I/O 操作的狀態。這樣就剩下異步非阻塞 I/O 了,它允許處理和 I/O 操作重疊進行,包括 I/O 操作完成的通知。


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