阻塞、非阻塞，同步、异步的理解

总结

 

一个IO过程分为两步：数据写入CPU内核，数据从CPU内核写入到进程缓冲区

 

1）BIO与NIO

 

　　指的是发起系统调用后，系统调用短时间内无法完成

 

　　　　BIO对应的进程会被CPU置为阻塞状态

 

　　　　NIO则不会阻塞（可以去做其他事情），NIO的进程会隔一段时间来询问一次

 

2）NIO与异步IO的区别

 

　　NIO发起系统调用后就会得到返回值（但不一定第一步准备好），第二步会阻塞

 

　　AIO发起系统调用后不会得到返回值，而是在整个第一步、第二步全部完成后，基于回调接口得到返回值

 

3）NIO与IO多路复用的区别

 

　　NIO是发起系统调用的进程，隔一段时间轮询一次

 

　　IO多路复用是有一个线程监听所有的socket，等待第一步数据写入CPU完成，然后响应事件完成第二步。

 

　　　　IO多路复用Java中的实现方式是轮询，poll、select也是轮询

 

　　　　操作系统的实现方式是回调（epoll）

 

 

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参考：https://leetcode-cn.com/circle/discuss/uHGOZo/

1.用户空间和内存空间

　　用户空间和内核空间操作系统为了支持多个应用同时运行，保证进程相对独立。操作系统内核需要拥有高于普通进程的权限。
　　内核空间可以用来控制用户空间的进程的调度和切换，用户空间用来实现进程的隔离？

 

2.进程切换的过程

 

 

• 当一个程序正在执行的过程中，中断（interrupt） 或 系统调用（system call） 发生可以使得 CPU 的控制权会从当前进程转移到操作系统内核。
• 操作系统内核负责保存进程 i 在 CPU 中的上下文（程序计数器，寄存器）到 PCBi （操作系统分配给进程的一个内存块）中。
• 从 PCBj 取出进程 j 的CPU 上下文，将 CPU 控制权转移给进程 j ，开始执行进程 j 的指令。
  • 附：系统中存放进程的管理和控制信息的数据结构称为进程控制块（PCB Process Control Block）
  • 当OS要调度某进程执行时，要从该进程的PCB中查处其现行状态及优先级；在调度到某进程后，要根据其PCB中所保存的处理机状态信息，设置该进程恢复运行的现场，并根据其PCB中的程序和数据的内存始址，找到其程序和数据；进程在执行过程中，当需要和与之合作的进程实现同步，通信或者访问文件时，也都需要访问PCB；当进程由于某种原因而暂停执行时，又须将器断点的处理机环境保存在PCB中。
  • 在进程的整个生命期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，即系统是根据进程的PCB而不是任何别的什么而感知到该进程的存在的。所以说，PCB是进程存在的唯一标志。

 

几个底层概念的通俗（不严谨）解释：
    中断（interrupt）
        CPU 微处理器有一个中断信号位，在每个CPU时钟周期的末尾, CPU会去检测那个中断信号位是否有中断信号到达，如果有，则会根据中断优先级决定是否要暂停当前执行的指令，转而去执行处理中断的指令。（其实就是 CPU 层级的 while 轮询）
    时钟中断（Clock Interrupt）
        一个硬件时钟会每隔一段（很短）的时间就产生一个中断信号发送给 CPU，CPU 在响应这个中断时，就会去执行操作系统内核的指令，继而将 CPU 的控制权转移给了操作系统内核，可以由操作系统内核决定下一个要被执行的指令。
    系统调用（system call）
        system call 是操作系统提供给应用程序的接口。用户通过调用 systemcall 来完成那些需要操作系统内核进行的操作，例如硬盘，网络接口设备的读写等。

 

3.进程阻塞的理解

• New. 进程正在被创建.
• Running. 进程的指令正在被执行
• Waiting. 进程正在等待一些事件的发生（例如 I/O 的完成或者收到某个信号）
• Ready. 进程在等待被操作系统调度
• Terminated. 进程执行完毕（可能是被强行终止的）

 “阻塞”是指进程在发起了一个系统调用（System Call） 后，由于该系统调用的操作不能立即完成，需要等待一段时间，于是内核将进程挂起为等待 （waiting）状态，以确保它不会被调度执行，占用 CPU 资源。

• 在任意时刻，一个 CPU 核心上（processor）只可能运行一个进程。

 

4.非阻塞 & 异步

阻塞和非阻塞描述的是进程的一个操作是否会使得进程转变为“等待”的状态

• 计算机物理通信：基本都是异步完成的，即发出请求后，等待 I/O 设备的中断信号后，再来读取相应的设备缓冲区
• 操作系统为用户级提供的调用接口，有以下两类
  • 阻塞式系统调用：阻塞式的调用，使得应用级代码的编写更容易（代码的执行顺序和编写顺序是一致的）
  • 非阻塞式系统调用：非阻塞调用不会挂起调用程序，而是会立即返回一个值，表示有多少bytes 的数据被成功读取（或写入）

异步处理：

• asychronous system call 也是会立即返回，不会等待 I/O 操作的完成，应用程序可以继续执行其他的操作，等到 I/O 操作完成了以后，操作系统会通知调用进程（设置一个用户空间特殊的变量值 或者 触发一个 signal 或者 产生一个软中断 或者 调用应用程序的回调函数）。

此处，非阻塞I/O 系统调用( nonblocking system call ) 和 异步I/O系统调用 （asychronous system call）的区别是：

1） 一个非阻塞I/O 系统调用 read() 操作立即返回的是任何可以立即拿到的数据，可以是完整的结果，也可以是不完整的结果，还可以是一个空值。而异步I/O系统调用 read（）结果必须是完整的，但是这个操作完成的通知可以延迟到将来的一个时间点。

 2）操作系统的IO过程分为两步：

（1）系统调用（ 硬盘，网络接口设备的读写 ）后，内核等待返回数据，将数据准备好

（2）数据从内核复制到用户空间（内存操作？？？）

• NIO中需要一个selector线程来建通所有的socket，第一步等待数据过程不阻塞，第二部数据转移过程还是会阻塞（  “阻塞”是指进程在发起了一个系统调用（System Call） 后，由于该系统调用的操作不能立即完成，需要等待一段时间，于是内核将进程挂起为等待 （waiting）状态，以确保它不会被调度执行，占用 CPU 资源。）
• AIO中不需要监听的线程，第一步第二步均不阻塞，两步完成后通过回调机制通知对应的进程（用户空间）

 

5.NIO（一般的NIO是隔一段时间询问一次）

• 第一个阶段是非阻塞的
• 第二个阶段是阻塞的

   

 

 

6.操作系统底层的IO多路复用实现（select\poll是轮询，epoll是回调）

• 三者的区别
• 
• select：
• 可以跨任何操作系统
• timeout参数精度ns级，另外两个都是ms级
• 事件类型比较少：readset、writeset、exceptset，分别对应读、写、异常条件的描述符集合
• select 的描述符类型使用数组实现，FD_SETSIZE 大小默认为 1024，因此默认只能监听 1024 个描述符
• poll
• 事件类型比较多【但也有数量限制】
• 事件描述符使用链表连接起来，没有数量的限制
• select 和 poll 速度都比较慢（轮询方式找到IO完成的时间描述符）
• select 和 poll 每次调用都需要将全部描述符从应用进程缓冲区复制到内核缓冲区。
• select 和 poll 的返回结果中没有声明哪些描述符已经准备好，所以如果返回值大于 0 时，应用进程都需要使用轮询的方式来找到 I/O 完成的描述符。
• epoll【向内核注册新描述符+回调函数+链表存储已准备好的IO描述符】
• epoll_ctl() 用于向内核注册新的描述符或者是改变某个文件描述符的状态。已注册的描述符在内核中会被维护在一棵红黑树上，通过回调函数内核会将 I/O 准备好的描述符加入到一个链表中管理，进程调用  epoll_wait() 便可以得到事件完成的描述符。
• 从上面的描述可以看出，epoll 只需要将描述符从进程缓冲区向内核缓冲区拷贝一次，并且进程不需要通过轮询来获得事件完成的描述符。

 

 

7.Java的NIO模型（reactor模型，单线程selector轮询）

• selector：单个线程去监听多个channel（只是在准备好的时候调用，阻塞一下线程）

[]Java的NIO的selector会产生selectorProvider，会根据底层的操作系统生成不同的selector

 

 

 

8.AIO（回调机制实现，且不需要单独的线程来进行监听）

• AIO的实现方式：
• 

 

9.区别：