程序員成長之旅——同步IO和異步IO（五種IO模型）

在這裏首先要知道一點就是IO操作其實總的就分爲兩種，第一種是等待的時間，第二種就是數據的拷貝，而往往等待的時間都是高於數據拷貝的，因此爲了IO的更加高效，我們都是通過來縮短等待的時間來提生IO的效率的。其次在學習五種IO模型的前提下，先了解一下其概念。同步，異步，阻塞和非阻塞。

同步和異步

這兩個概念與消息的通知機制有關。

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。比如，調用readfrom系統調用時，必須等待IO操作完成後才能返回。它是一個可靠的任務序列。

異步

異步的概念和其同步的概念是與之對應的，當一個異步過程調用發出後，調用者不能立即得到結果。實際處理這個調用的部件在完成後，通過狀態、通知、和回調來告訴調用者。實際處理的是否完成此任務，它是不得而知的，因此它是一個不可靠的任務序列。

消息通知

上面已知異步的概念和同步的概念是與之相對的。當一個同步的調用發出後，調用者要一直等待返回消息結果通知後，才能進行後續的執行；而當一個異步過程調用的時候，調用者不能立即得到返回消息。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的。

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。使用那一種通知機制，依賴於執行部件的實現，除非執行部件提供多種選擇，否則是不受調用者控制的。

1.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；
2.如果使用通知的方式，效率則很高，因爲執行部件幾乎不需要做額外的操作。至於回調函數和通知幾乎一樣。

場景比喻

舉個例子，比如我去海底撈去吃飯，可能就有兩種方式：

1.選擇排隊等候；
2.另外選擇一個號碼，等到我的號碼的時候，廣播通知我去就餐；

第一種：前者(排隊等候)就相當於同步等待消息的通知，也就是我要一直等待前面客人用餐完。
第二種：後者(等待廣播通知)就是異步等待消息通知。在異步消息處理中，等待消息通知者(在這個例子中就是等待辦理業務的人)往往註冊一個回調機制，在所等待的事件被觸發時由觸發機制(在這裏是櫃檯的人)通過某種機制(在這裏是寫在小紙條上的號碼，喊號)找到等待該事件的人。

阻塞和非阻塞

阻塞和非阻塞與等待消息通知時的狀態有關。

阻塞

阻塞調用是指調用返回之前，當前線程會被掛起。函數只有在得到結果之後纔會返回。
阻塞和同步是兩種不同的概念。首先同步是對於消息的通知機制而言，阻塞是針對等待時的狀態來說的。而且對於同步調用來說，很多時候當前線程還是激活的，只是邏輯上當前沒有返回而已。

非阻塞

非阻塞和阻塞的概念相對應，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，並設置相應的errno。
雖然表面上看非阻塞的方式可以明顯的提高CPU的利用率，但是也帶了另外一種後果就是系統的線程切換增加。增加的CPU執行時間能不能補償系統的切換成本需要好好評估。

事例

以小王下載文件爲例，對上述概念做以理解：
1.同步阻塞：小王一直盯着下載進度條，到100%的時候就完成。
同步：等待下載完成通知；
阻塞：等待下載完成通知過程中，不能做其它任務處理；

2.同步非阻塞：小王提交下載任務後就去幹別的，每過一段時間就去瞄一眼進度條，看是否完成。
同步：等待下載完成通知；
非阻塞：等待下載完成通知過程中，去看動漫去了，只是時不時會瞄一眼進度條；【小王必須在兩個任務操作中來回切換，關注下載進度】
3.異步阻塞：小王打開了下載完成後的提示音，下載完成會通知他，不過在這期間，他一直會等待這個聲音。
異步：下載完成後的提示音；
阻塞：等待提示音的過程中，不能做其它任務處理；

4.異步非阻塞小王打開了下載完成後的提示音，下載完成會通知他，不過在這期間，他可以去幹其它事情。
異步：下載完成後的提示音；
非阻塞：等待提示音的過程中，去幹其它事情了，只需要接收提示音的通知；

同步IO

阻塞IO

同步阻塞IO模型是最常用、最簡單的模型。在Linux下，默認情況下，所有套接字都是阻塞的。下面以阻塞套接字的recvfrom的調用圖來說明阻塞：

從上面可看出，一個應用進程調用一個recvfrom請求，但是它不能立即收到回覆，知道數據返回，然後將數據從內核空間拷貝到用戶空間。
第一二階段皆是阻塞。
優缺點：優點是簡單，實時性高，響應及時無延遲，但缺點也很明顯，需要阻塞等待，性能差；

非阻塞IO

與阻塞式I/O不同的是，非阻塞的recvform系統調用調用之後，進程並沒有被阻塞，內核馬上返回給進程，如果數據還沒準備好，此時會返回一個error（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。進程在返回之後，可以處理其他的業務邏輯，過會兒再發起recvform系統調用。採用輪詢的方式檢查內核數據，直到數據準備好。再拷貝數據到進程，進行數據處理。
在linux下，可以通過設置socket套接字選項使其變爲非阻塞。下圖是非阻塞的套接字的recvfrom操作

如上圖，前三次調用recvfrom請求，但是並沒有數據返回，所以內核返回errno(EWOULDBLOCK)，並不會阻塞進程。但是當第四次調用recvfrom，數據已經準備好了，然後將它從內核空間拷貝到程序空間，處理數據。
在非阻塞狀態下，IO執行的等待階段並不是完全的阻塞的，但是第二個階段依然處於一個阻塞狀態。
優缺點：
優點：能在等待任務完成的時間裏幹其他的事情(也就是後臺多個任務可以同時執行)。
缺點：任務完成的響應延遲增大了，因爲每過一段時間纔去輪詢一次read操作，而任務可能在兩次輪詢之間的任意時間完成。這會導致整體數據的吞吐量降低。

信號驅動IO

允許socket進行信號驅動IO，並註冊一個信號處理函數，進程繼續運行並不阻塞。當數據準備好的時候，進程會收到一個SIGIO信號，可以在信號處理函數中調用I/O操作函數處理數據。

阻塞在IO操作的第二個階段

多路轉接IO

IO 多路複用的好處就在於單個進程就可以同時處理多個網絡連接的IO。它的基本原理就是不再由應用程序自己監視連接，取而代之由內核替應用程序監視文件描述符。

優勢
　　與傳統的多線程/多進程模型比，I/O多路複用的最大優勢是系統開銷小，系統不需要創建新的額外進程或者線程，也不需要維護這些進程和線程的運行，降底了系統的維護工作量，節省了系統資源。
主要應用場景：
　　①、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；
　　②、服務器需要同時處理多種網絡協議的套接字，如同時處理TCP和UDP請求；
　　③、服務器需要監聽多個端口或處理多種服務；
　　④、服務器需要同時處理用戶輸入和網絡連接。

異步IO

上述四種IO模型都是同步的。相對於同步IO，異步IO不是順序執行。用戶進程進行aio_read系統調用之後，就可以去處理其他的邏輯了，無論內核數據是否準備好，都會直接返回給用戶進程，不會對進程造成阻塞。等到數據準備好了，內核直接複製數據到進程空間，然後從內核向進程發送通知，此時數據已經在用戶空間了,可以對數據進行處理了。

IO兩個階段，進程都是非阻塞的。

五種IO模型比對

其實前四種I/O模型都是同步I/O操作，他們的區別在於第一階段，而他們的第二階段是一樣的：在數據從內核複製到應用緩衝區期間（用戶空間），進程阻塞於recvfrom調用。相反，異步I/O模型在這等待數據和接收數據的這兩個階段裏面都是非阻塞的，可以處理其他的邏輯用戶進程將整個IO操作交由內核完成，內核完成後會發送通知。在此期間，用戶進程不需要去檢查IO操作的狀態，也不需要主動的去拷貝數據。

釣魚解析其五種IO模型

阻塞IO
張三去釣魚的時候，他只有一個魚鉤，當他將魚鉤放上魚餌放入水裏的那一刻起，他就一直在等待，只專注與這一件事情，直到有魚咬住魚餌，他拉起來，表示這個過程完成。
非阻塞IO
李四去釣魚的時候，同樣是只有一個魚鉤，當他放入水裏的那一刻之後，沒有魚兒上鉤的話，他會拉起來魚鉤，然後修整一下，可以幹一下其他事情，之後一直重複這個動作，直到魚兒上鉤，表示這個過程完成。
信號驅動IO
王五去釣魚的時候，同樣是一個魚鉤，但不同的是他釣魚的同時，將魚鉤上綁了一個鈴鐺，在此期間，他還可以和李四交流，一旦鈴鐺響了，他拉上來之後代表完成。
多路轉接IO
馬六他有多個魚竿，假設他可以忙的過來，只要有一個魚竿有響應，他就可以拉起來了，這個概率就相對比比較大了。
異步IO
田七去釣魚的時候，剛拿起裝備，這時候有急事呼叫他，但與此同時他還想吃釣到的魚，這時候，他就可以僱人幫他釣魚，等釣好之後打電話通知他，將其裝備魚給他，就代表這個過程完成了。
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