理解异步和非阻塞的区别

转载：

知乎萧萧—怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？

四个相关概念：

• 同步（Synchronous）
• 异步( Asynchronous)
• 阻塞( Blocking )
• 非阻塞( Nonblocking)

以上概念的讨论需要结合具体的语境进行，可分为进程通信层面和IO系统调用层面

进程通信层面

《操作系统概念（第九版）》中有关进程间通信的部分

进程间的通信是通过 send() 和 receive() 两种基本操作完成的。具体如何实现这两种基础操作，存在着不同的设计。 消息的传递有可能是阻塞的或非阻塞的 – 也被称为同步或异步的：

• 阻塞式发送（blocking send）. 发送方进程会被一直阻塞， 直到消息被接受方进程收到。
• 非阻塞式发送（nonblocking send）。 发送方进程调用 send() 后， 立即就可以其他操作。
• 阻塞式接收（blocking receive） 接收方调用 receive() 后一直阻塞， 直到消息到达可用。
• 非阻塞式接受（nonblocking receive） 接收方调用 receive() 函数后， 要么得到一个有效的结果， 要么得到一个空值， 即不会被阻塞。

上述不同类型的发送方式和不同类型的接收方式，可以自由组合

从进程级通信的维度讨论时， 阻塞和同步（非阻塞和异步）就是一对同义词， 且需要针对发送方和接收方作区分对待。

I/O System Call层面

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，需要保证不同进程之间相对独立（一个进程的崩溃不会影响其他的进程 ， 恶意进程不能直接读取和修改其他进程运行时的代码和数据）。 因此操作系统内核需要拥有高于普通进程的权限， 以此来调度和管理用户的应用程序。

于是内存空间被划分为两部分，一部分为内核空间，一部分为用户空间，内核空间存储的代码和数据具有更高级别的权限。内存访问的相关硬件在程序执行期间会进行访问控制（ Access Control），使得用户空间的程序不能直接读写内核空间的内存。

我们所说的 “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。

Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2节“I/O Models ”中详细说明了各种IO的特点和区别

共比较了五种IO Model：

• blocking IO
• nonblocking IO
• IO multiplexing
• signal driven IO
• asynchronous IO

blocking IO

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除block的状态，重新运行起来。所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

non-blocking IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

从图中可以看出，当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。所以，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

IO multiplexing

IO multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种IO方式为event driven IO。我们都知道，select/epoll的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。（多说一句。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）
在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

信号驱动I/O

允许文件描述符进行信号驱动I/O，并安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时，进程会收到一个SIGIO信号，可以在信号处理函数中调用I/O操作处理函数。所以，这种模式下，进程不需要等待文件描述符就绪，但依然要等待数据的拷贝。

Asynchronous I/O

linux下的asynchronous IO其实用得很少。先看一下它的流程：

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

IO Model的比较

同步 IO和异步 IO的区别

• 两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。

• blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。

• 定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

非阻塞I/O 和 异步I/O的区别

• 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。
• 非阻塞I/O 系统调用( nonblocking system call ) 和 异步I/O系统调用 都是非阻塞式的行为（non-blocking behavior）。 他们的差异仅仅是返回结果的方式和内容不同。