异步（Asynchronous） 和 非阻塞（Non-blocking）

一、阻塞 vs 非阻塞（Blocking vs Non-blocking）

核心区别： 发起 I/O 调用时，线程是否会被挂起等待结果。

1. 阻塞 I/O (Blocking I/O)

   • 含义：当线程发起 I/O 操作（如 read() 读取网络数据），若数据未就绪，线程会被操作系统挂起（睡眠），直到数据准备好并被内核拷贝到用户空间后，线程才被唤醒继续执行。

   • 比喻：你去银行柜台办业务，柜员说“需要后台处理，你在这等着”。你只能干等（线程阻塞），直到柜员处理完把结果给你。

   • 代码表现：read() 函数不返回，线程卡在这一行。

   • 问题：高并发时，每个连接需一个线程，资源消耗大。

2. 非阻塞 I/O (Non-blocking I/O)

   • 含义：当线程发起 I/O 操作，若数据未就绪，函数立即返回一个错误（如 EAGAIN），线程不会被挂起，可以继续执行其他任务。

   • 如何实现：通过 fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK) 将文件描述符设为非阻塞模式。

   • 比喻：柜员说“后台在处理，你可以先去干别的，但需要你自己时不时回来问是否完成”。

   • 代码表现：调用 read() 可能返回 -1 且 errno == EAGAIN，线程继续执行后续逻辑。

   • 优点：线程不被阻塞，可同时处理多个 I/O。

   • 缺点：需主动轮询检查状态，浪费 CPU。

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二、同步 vs 异步（Synchronous vs Asynchronous）

核心区别： I/O 操作的完成结果如何通知调用者。

1. 同步 I/O (Synchronous I/O)

   • 含义：线程主动等待并获取结果。包括两类：

     • 阻塞型同步：线程挂起等待操作完成（如默认的 read()）。

     • 非阻塞型同步：线程轮询检查状态（如非阻塞 read() + 循环重试）。

   • 本质：I/O 操作的完成仍需线程主动参与（等待或轮询）。

   • 比喻：无论是干等（阻塞）还是反复询问（非阻塞），最终都是你自己拿到结果。

   • 技术代表：read(), write(), select(), poll(), epoll_wait() + 非阻塞 read()。

2. 异步 I/O (Asynchronous I/O, AIO)

   • 含义：线程发起 I/O 操作后立即返回，内核完成整个操作（包括数据拷贝）后，通过回调、信号或事件通知线程结果。

   • 本质：内核完全接管 I/O 操作，线程无需关心过程。

   • 比喻：柜员说“留下地址，办完我快递给你”。你直接回家，收到包裹即完成。

   • 代码表现：

     // Linux 原生 AIO 示例
     struct iocb cb = {0};
     cb.aio_fildes = fd;          // 文件描述符
     cb.aio_buf = buffer;         // 用户缓冲区
     cb.aio_nbytes = size;        // 数据大小
     cb.aio_lio_opcode = IOCB_CMD_PREAD; // 读操作
     io_submit(ctx, 1, &cb);      // 提交请求（立即返回）
     // 内核完成后通过回调或 io_getevents() 通知

   • 优点：线程完全自由，无轮询开销。

   • 缺点：编程复杂，操作系统支持不完善（如 Linux 原生 AIO 对网络 I/O 支持有限）。

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三、关键区别总结

特性	非阻塞 I/O	异步 I/O
关注点	调用是否立即返回	结果如何通知
调用行为	立即返回（成功/错误）	立即返回（仅表示提交成功）
数据就绪时	需线程主动调用 read/write	内核自动拷贝数据到用户缓冲区
完成通知	无通知，需线程轮询或事件触发	回调、信号、事件通知
线程参与	需线程执行实际 I/O 操作	线程完全不参与 I/O 操作过程
典型代表	read(fd, buf, size) + O_NONBLOCK	Linux io_uring / Windows IOCP

🔥 重要认知：
epoll 本质是同步非阻塞模型！

• epoll_wait() 返回时，仅告诉你哪些 fd 可进行不阻塞的 I/O 操作（数据在内核缓冲区就绪）。

• 你仍需调用非阻塞的 read()/write() 将数据从内核空间拷贝到用户空间（这个拷贝过程是同步的）。

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四、“异步非阻塞”组合的含义

当同时使用两种技术时：

1. 非阻塞：发起 I/O 调用不阻塞线程（立即返回）。

2. 异步：内核完成整个 I/O 后主动通知结果（无需线程轮询）。

典型场景：

• 现代高性能框架（如 Java NIO + AIO、Node.js libuv）通过 事件循环 + 线程池 模拟异步：

  • 主线程用 epoll 管理 I/O 事件（同步非阻塞）。

  • 将耗时操作（文件 I/O、数据库）提交给线程池，主线程通过回调获知结果（异步）。

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五、一张图理解四种 I/O 模型

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1. 阻塞 I/O：全程等待。

2. 非阻塞 I/O：轮询直到数据就绪。

3. I/O 多路复用（epoll）：批量监控 fd，就绪后同步拷贝数据。

4. 异步 I/O：提交请求后完全不管，内核完成所有步骤后通知。

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总结

• 非阻塞：解决 “调用是否卡住线程” 问题（立即返回）。

• 异步：解决 “操作完成后如何告知” 问题（内核主动通知）。

• epoll 是同步非阻塞模型：它高效管理 fd 状态，但数据拷贝仍需用户线程参与。

• 真正的异步 I/O：内核全程负责 I/O 操作（包括数据拷贝），用户线程彻底解放。

实际开发中，常将 非阻塞 I/O + I/O 多路复用（如 epoll） + 事件循环 组合成高并发架构，在性能和复杂度间取得平衡。而真正的异步 I/O（如 io_uring）是未来发展方向。