理解 I/O-- 阻塞、非阻塞,同步、异步的概念及其区别

概念介绍

阻塞(blocking)、非阻塞(non-blocking):可以简单理解为需要做一件事能不能立即得到返回应答,如果不能立即获得返回,需要等待,

那就阻塞了(进程或线程就阻塞在那了,不能做其它事情),否则就可以理解为非阻塞(在等待的过程中可以做其它事情)。

同步(synchronous)、异步(asynchronous): 你总是做完一件再去做另一件,不管是否需要时间等待,这就是同步(就是在发出一个功能

调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回,即此时不能做下一件事情);异步则反之,你可以同时做几件事,并非一定需要一件事做

完再做另一件事(当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果,此时可以接着做其它事情)。同步简单理解成一问一答同步进行,

异步可以简单理解为不必等一个问题有了答案再去问另一个问题,尽管问,有答了再通知你。

阻塞和同步:

有人会把阻塞调用和同步调用等同起来,实际上他是不同的。对于同步调用来说,很多时候当前线程还是激活的,只是从逻辑上当前函数

没有返回而已。 例如,我们在socket中调用recv函数,如果缓冲区中没有数据,这个函数就会一直等待,直到有数据才返回。而此时,当

前线程还会继续处理各种各样的消息。

IO模型

针对网络IO的操作,可以分成两个阶段,准备阶段和操作阶段。

1,准备阶段是判断是否能够操作(即等待数据是否可用),在内核进程完成的;

2,操作阶段则执行实际的IO调用,数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区。

比如对于一个read操作发生时,它会经历下面两个阶段:

A, 等待数据准备,数据是否拷贝到内核缓冲区;

B, 将数据从内核拷贝到用户进程空间

上面两点比较重要,注意理解。

《Unix网络编程卷1:套接字联网API》(即UNP)中第六章对unix 系统将IO模型分为五类:阻塞IO,非阻塞IO,IO复用,信号驱动,异步IO。

1、阻塞IO:在准备阶段即同步阻塞,应用进程调用I/O操作时阻塞,只有等待要操作的数据准备好,并复制到应用进程的缓冲区中才返回;

2、非阻塞IO:当应用进程要调用的I/O操作会导致该进程进入阻塞状态时,该I/O调用返回一个错误,一般情况下,应用进程需要利用轮询的方式

      来检测某个操作是否就绪。数据就绪后,实际的I/O操作会等待数据复制到应用进程的缓冲区中以后才返回;

3、IO复用:多路IO共用一个同步阻塞接口,任意IO可操作都可激活IO操作,这是对阻塞IO的改进(主要是select和poll、epoll,关键是能实现同时对

     多个IO端口进行监听)。此时阻塞发生在select/poll的系统调用上,而不是阻塞在实际的I/O系统调用上。IO多路复用的高级之处在于:它能同时等

     待多个文件描述符,而这些文件描述符(套接字描述符)其中的任意一个进入读就绪状态,select等函数就可以返回。

4、信号驱动IO:注册一个IO信号事件,在数据可操作时通过SIGIO信号通知线程,这应该算是一种异步机制;

以上四种模型在第一阶段即判断是否可操作阶段各不相同,但一旦数据可操作,则切换到同步阻塞模式下执行IO操作,所以都算是同步IO。

5、异步IO: 应用进程通知内核开始一个异步I/O操作,并让内核在整个操作(包含将数据从内核复制到应该进程的缓冲区)完成后通知应用进程。


根据上面所说的IO操作的两个阶段,可以把上面的I/O模型进行如下归类:

a,阻塞IO:在两个阶段上面都是阻塞的;

b,非阻塞IO:在第1阶段,程序不断的轮询直到数据准备好,第2阶段还是阻塞的;

c,IO复用:在第1阶段,当一个或者多个IO准备就绪时,通知程序,第2阶段还是阻塞的,在第1阶段还是轮询实现的,只是所有的IO都集中在一个地方,这个地方进行轮询;

d,信号IO:当数据准备完毕的时候,信号通知程序数据准备完毕,第2阶段阻塞;

e,异步IO:1,2都不阻塞,异步IO模型 比如 windows之上的iocp,linux AIO,详情点这里;

结果如下图(图来自UNP)。

理解 I/O-- 阻塞、非阻塞,同步、异步的概念及其区别

阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型,这三种模型的区别在于第一阶段(阻塞式I/O阻塞在I/O操作上,非阻塞式I/O轮询,

I/O复用阻塞在select/poll/epoll上),第二阶段都是一样的,即这里的阻塞不阻塞体现在第一阶段,从这方面来说I/O复用类型也

可以归类到阻塞式I/O,它与阻塞式I/O的区别在于阻塞的系统调用不同。而异步I/O的两个阶段都不会阻塞进程。

其中POSIX将IO只分成了同步IO、异步IO两种模型。

同步I/O操作:实际的I/O操作将导致请求进程阻塞,直到I/O操作完成

异步I/O操作:实际的I/O操作不导致请求进程阻塞。

由此,前面分类中:阻塞式I/O,非阻塞式I/O,I/O复用,信号驱动I/O模型都属于同步I/O,因为第二阶段的数据复制都是阻塞的

而只有前面定义的异步I/O模型与这里的异步I/O操作

总结

同步或者异步I/O主要是指访问数据的机制(即实际I/O操作的完成方式),同步一般指主动请求并等待I/O操作完毕的方式,I/O操作

未完成前,会导致应用进程挂起;异步则指主动请求数据后便可以继续处理其它任务,随后等待I/O操作完毕的通知,这可以使进程

在数据读写时也不阻塞。

阻塞或者非阻塞I/O主要是指I/O操作第一阶段的完成方式(进程访问的数据如果尚未就绪),即数据还未准备好的时候,应用进程

的表现,如果这里进程挂起,则为阻塞I/O,否则为非阻塞I/O。


参考资料:

http://blog.csdn.net/hguisu/article/details/7453390

http://jzhihui.iteye.com/blog/1629788

http://blog.csdn.net/zhoudaxia/article/details/8974779



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