linux IO —— 理解阻塞/非阻塞、同步/异步

作者: 邹成卓 2022-05-30 13:50:16 分类: linux

标签: linux

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接上篇 linux IO —— 多路复用（select/poll/epoll） 我要说话

阻塞/非阻塞、同步/异步，是两对非常容易弄混淆的名词。不光可能由于对原理的理解不到位而造成混淆；在理解原理后，也有可能因为词义的原因造成混淆，即大家的理解都是没问题的，只是描述的时候出了偏差。 我要说话

网上分析这两个概念的文章非常多，这里也记录一下我的理解吧，如果理解有误，麻烦轻喷指出…我要说话

阻塞/非阻塞、同步/异步，描述的都是 一段程序 在进程(也可能是线程，下面统一用进程指代)内的执行状态。 我要说话

这里加粗的部分值得注意，一个是描述对象，当我们讨论一个状态时，一定要指明被描述的目标对象，否则可能鸡同鸭讲，大家各说各的。 我要说话

例如，问：一段使用epoll做网络IO的代码 是阻塞的还是非阻塞的，是同步的还是异步的？我认为这样的问题是没有意义的，因为描述的对象不够具体，针对不同的对象也有不同的答案。 我要说话

阻塞与同步

从操作系统的角度来讲，IO操作是阻塞的，还是非阻塞的，指的是IO操作会不会阻止 CPU 执行当前进程。 我要说话

例如阻塞read：当没有可读数据，read操作无法完成时，该操作会将当前进程从CPU的工作队列中移除，不再执行当前进程的任务，直到有数据到来，我们认为它是阻塞的。 我要说话

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如上图，一次阻塞read的过程，应用进程从调用read，到开始处理数据，中间经历了两个阶段，一个是“等待数据”，另一个是“数据从内核到用户”。这两个阶段中，操作系统会将进程移出CPU的工作队列，阻止CPU执行当前进程的任务，我们称这个read操作是“阻塞”的。 我要说话

首先说明，“阻塞当前进程”这个说法是比较口语化的，非官方的说法，但是很多人沟通的时候喜欢这样描述，所以单独提出来下。 我要说话

“阻塞当前进程”即进程在某 一段时间 内持续做这件事情，不能去做其它事情。 我要说话

例如上面图中的 “等待数据”，“数据从内核到用户”，这两个时间段内，进程都不能去做其它事情，很多时候这种状态会被描述为，进程被阻塞住了。 我要说话

对于一个线程而言，其实有一种更准确的说法：这个操作是 同步 的。如果将这个阻塞的过程放到另一个线程去执行，那么它就不会占用当前线程的时间了，就应该称它为异步操作。 我要说话

同步操作还有，sleep、互斥锁等待、while true/自旋锁等待，等等。它们的特点都是会占用进程一段时间，不能做其它事情。但是前两个操作，进程是会进入阻塞状态的，而后两个，则不会进入阻塞状态，所以前面关于“阻塞当前进程”的口语化的说法，是不准确的，分歧点 就在这里。 我要说话

所以我们能得出结论：对于同一个进程(线程)，阻塞操作一定是同步的，同步操作不一定是阻塞的。 我要说话

非阻塞与异步

非阻塞IO

前面分析了阻塞IO的流程，下面是非阻塞IO的流程。 我要说话

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非阻塞IO的场景下，“等待数据”阶段，不会再让进程进入阻塞状态，而是定期的去调用read，如果没有数据，则瞬间返回结果 EWOULDBLOCK，不占用 一段时间，这样CPU就可以去做其它事情（例如操作另一个IO，我们称这个read操作是“异步”的。 我要说话

但是，这里有一点要注意的是，“数据从内核到用户”，进程还是需要等待一会儿CPU将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。这个过程也是非阻塞的，不会让出CPU，但是在此期间进程也是无法执行其它工作的，也就是“同步”的。 我要说话

非阻塞与异步

从上面的图中可以看到，非阻塞IO分为两个阶段，一个是非阻塞轮询阶段，这个阶段瞬间返回不占用“一段时间”，进程在此期间还可以去做其它事情，是“异步”的；而在第二个复制数据的阶段，这个阶段进程也是非阻塞状态，但是需要等待数据拷贝完成，会占用“一段时间”，尽管这个时间非常短，我们也认为这个过程是“同步”的。 我要说话

在轮询阶段，如果我们对单个fd使用 while true，去不断轮询结果，这样就会持续占用CPU时间，即使整个操作都是非阻塞的，进程也无法再执行其它工作了，这期间的操作也认为是“同步”的。实际上很少会这样做，都是结合多路复用来将等待的过程异步化的。 我要说话

那么真正的异步IO模型是什么样的呢？ 我要说话

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如图，和非阻塞IO相比，异步IO不再让用户通过多次调用轮询状态了，而是调用io操作后不进入阻塞，立即返回。数据拷贝阶段，也不再等待内核进行拷贝了，而是后续通过信号、事件等方式，告知进程数据已经ready。在通知之前，进程可以做其它的工作，等待期间不占用进程资源。 我要说话

所以我们能得出结论：对于同一个进程（线程），非阻塞操作不一定是异步的，但是异步操作一定是非阻塞的。我要说话

正如第一节“描述对象”中所说，抛开具体的目标对象谈阻塞还是非阻塞，同步还是异步，都是无意义的，可以对下面是几种IO模型分析一下，各个阶段是阻塞的还是非阻塞的，是同步的还是异步的。 我要说话

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这个没什么好说的，全程阻塞，全程同步我要说话

非阻塞IO

检查阶段是非阻塞的，异步的；数据拷贝阶段非阻塞等待，同步。 我要说话

IO多路复用

wait阶段阻塞、同步；数据读取阶段由具体的IO操作决定，比如是普通的阻塞/非阻塞IO，在这个阶段都是阻塞的，同步的。我要说话

信号驱动IO

有点像自动检查的非阻塞IO，检查阶段非阻塞，异步；数据读取阶段阻塞，同步。 我要说话

全程非阻塞，异步。我要说话

对于单个进程（线程）： 我要说话

特性	同步	异步
阻塞	①阻塞IO全程②多路复用wait③信号驱动IO拷贝节点	不存在
非阻塞	非阻塞IO拷贝阶段	非阻塞IO等待阶段、异步IO

参考文章： 我要说话

本文链接：https://www.zoucz.com/blog/2022/05/30/61cc9780-dfdc-11ec-9fe7-534bbf9f369d/我要说话

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