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== 大程熙 ==
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一个小学生

IO之同步、异步、阻塞、非阻塞

重新梳理同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO等相关概念。

在学习这些知识的时候,需要先限定一个范围,才能更好地解释。这里限定的范围是:Linux环境下的网络IO。

建议先阅读下《UNIX网络编程 卷一:套接字联网API(第三版)》第6.2节:I/O模型。

再缩小一下讨论的范围:Linux环境下的网络IO,并且是进程从网络获取数据这一操作。

进程从网络获取数据这一网络IO操作涉及到的对象有:

  • 进程
  • 系统内核
  • 数据

进程从网络获取(read)数据会包含两个不同的阶段:

  1. 等待数据准备好
  2. 从内核向进程复制数据

等待数据准备好是指:等待数据从网络中到达,当数据分组到达时,数据会被复制到内核中的某个缓冲区中。

从内核向进程复制数据是指:把内核缓冲区中的数据复制到应用进程缓冲区。

同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO这几个概念就是针对上面这两个阶段的不同情况来作区分的。

UNIX网络编程中将IO模型分成了五种:

  • 阻塞IO模型
  • 非阻塞IO模型
  • IO复用模型
  • 信号驱动式IO模型
  • 异步IO模型

进程进行IO操作的一般包含:

  1. 进程发起recvfrom系统调用
  2. 系统内核等待数据准备好
  3. 系统内核将数据拷贝到进程缓冲区
  4. 系统内核通知进程结果

阻塞IO模型

从进程发起recvfrom系统调用,到系统内核等待数据准备好,再到系统内核将数据拷贝到进程缓冲区,最后到系统内核通知进程结果的过程中,进程都一直阻塞等待,直到系统内核告知了进程最后结果,进程才能解除阻塞,重新运行。

进程在IO执行的两个阶段:系统内核等待数据准备好、系统内核将数据拷贝到进程缓冲区,都被阻塞住了。

非阻塞IO模型

进程发起recvfrom系统调用后,如果没有数据准备好,系统内核会立刻返回一个错误给进程,进程会不断的进行recvfrom系统调用,直到系统内核准备好了数据。如果系统内核准备好了数据,进程发起的recvfrom系统调用就会阻塞住,等待系统内核将数据拷贝到进程缓冲区中,直到系统内核告知进程最后结果,进行才能解除阻塞,重新运行。

进程在IO执行的第一个阶段:系统内核等待数据准备好,没有被阻塞;在IO执行的第二个阶段:系统内核将数据拷贝到进程缓冲区,这一步被阻塞住了。

IO复用模型

IO复用模型实际应用是:select、poll、epoll。这种模型的核心思想就是一个进程可以同时处理多个网络连接。

进程发起select系统调用后,进程就会阻塞住,系统内核等待数据准备好后,select调用就会返回给进程结果,这时候进程会再发起一个recvfrom系统调用,此时数据准备好了,不需要阻塞在:系统内核等待数据准备好这一阶段,但是会阻塞在系统内核将数据拷贝到进程缓冲区中这一阶段,最后系统内核告知进程最后结果,进程才能解除阻塞,重新运行。

对于进程来说整个阶段还是阻塞的,只是阻塞在了select系统调用上。

信号驱动式IO模型

进程会首先发起一个sigaction系统调用,之后立刻返回,进程继续执行其他工作,进程没有被阻塞,也就是进程不需要阻塞在:系统内核等到数据准备好这一阶段。系统内核等到数据准备好之后,会返回给进程一个SIGIO信号,进程收到信号后发起recvfrom系统调用,此时数据准备好了,进程会阻塞在系统内核将数据拷贝到进程缓冲区中这一阶段,最后系统内核告知进程最后结果,进程才能解除阻塞,重新运行。

异步IO模型

进程会首先发起一个aio_read系统调用,并立即返回,进程继续其他工作,没有被阻塞。系统内核等到数据准备好,并将数据从内核拷贝到进程缓冲区中之后,会向进程发起一个信号,数据已经复制完成。

阻塞IO和非阻塞IO区别

阻塞IO和非阻塞IO的区别:从进程的角度看就是发起网络IO后,进程是阻塞等待还是立刻返回,如果是阻塞等待的就是阻塞IO,如果是立刻返回的就是非阻塞IO。

同步IO和异步IO区别

POSIX对同步IO和异步IO的定义如下:

  • 同步IO操作导致请求进程阻塞,直到IO操作完成
  • 异步IO操作不导致请求进程阻塞。

所以阻塞IO模型、非阻塞IO模型、IO复用模型、信号驱动式模型都有造成进程阻塞,都是同步IO。而异步IO模型没有导致请求进程阻塞,是异步IO。

最后还是要说一下,讨论阻塞和非阻塞、同步和异步,一定要划定一个范围,也就是要有上下文,才能尽可能正确的理解。

最后个人理解,在网络IO操作中:

  • 阻塞和非阻塞是站在进程的角度来看,这一次网络IO是阻塞还是非阻塞的
  • 同步和异步是站在我们的角度看进程是不是阻塞和非阻塞

参考