彻底搞懂同步异步与阻塞非阻塞 - 蝉沐风

上两篇文章讲过了BIO与非阻塞IO以及IO多路复用，洋洋洒洒近3万字。

这篇文章我们来聊一个很简单，但是很多人往往分不清的一个问题，同步异步、阻塞非阻塞到底怎么区分？

开篇先问大家一个问题：IO多路复用是同步IO还是异步IO？

先思考一下，再继续往下读。

巨著《Unix网络编程》将IO模型划分为5种，分别是

• 非阻塞IO
• 信号驱动IO

个人认为这么分类并不是很好，因为从字面上理解阻塞IO和非阻塞IO就已经是数学意义上的全集了，怎么又冒出了后边3种模型，会给初学者带来一些困扰。

接下来进入正文。

作者：蝉沐风，
公众号：蝉沐风的码场

1. 一个简单的IO流程

让我们先摒弃我们原本熟知的各种IO模型流程图，先看一个非常简单的IO流程，不涉及任何阻塞非阻塞、同步异步概念的图。

客户端发起系统调用之后，内核的操作可以被分成两步：

• 此阶段网络数据进入网卡，然后网卡将数据放到指定的内存位置，此过程CPU无感知。然后经过网卡发起硬中断，再经过软中断，内核线程将数据发送到socket的内核缓冲区中。

• 数据从socket的内核缓冲区拷贝到用户空间。

2. 阻塞与非阻塞

阻塞与非阻塞在API上区别在于socket是否设置了SOCK_NONBLOCK这个参数，默认情况下是阻塞的，设置了该参数则为非阻塞。

2.1 阻塞

假设socket为阻塞模式，则IO调用如下图所示。

当处于运行状态的用户线程发起recv系统调用时，如果socket内核缓冲区内没有数据，则内核会将当前线程投入睡眠，让出CPU的占用。

直到网络数据到达网卡，网卡DMA数据到内存，再经过硬中断、软中断，由内核线程唤醒用户线程。

此时socket的数据已经准备就绪，用户线程由用户态进入到内核态，执行数据拷贝，将数据从内核空间拷贝到用户空间，系统调用结束。此阶段，开发者通常认为用户线程处于等待（称为阻塞也行）状态，因为在用户态的角度上，线程确实啥也没干（虽然在内核态干得累死累活）。

2.2 非阻塞

如果将socket设置为非阻塞模式，调用便换了一副光景。

用户线程发起系统调用，如果socket内核缓冲区中没有数据，则系统调用立即返回，不会挂起线程。而线程会继续轮询，直到socket内核缓冲区内有数据为止。

如果socket内核缓冲区内有数据，则用户线程进入内核态，将数据从内核空间拷贝到用户空间，这一步和2.1小节没有区别。

3. 同步与异步

同步和异步主要看请求发起方对消息结果的获取方式，是主动获取还是被动通知。区别主要体现在数据拷贝阶段。

3.1 同步

同步我们其实已经见识过了，2.1节和2.2节中的数据拷贝阶段其实都是同步！

注：把同步的流程画在阻塞和非阻塞的第二阶段，并不是说阻塞和非阻塞的第二阶段只能搭配同步手段！

同步指的是数据到达socket内核缓冲区之后，由用户线程参与到数据拷贝过程中，直到数据从内核空间拷贝到用户空间。

因此，IO多路复用，对于应用程序而言，仍然只能算是一种同步，因为应用程序仍然花费时间等待IO结果，等待期间CPU要么用于遍历文件描述符的状态，要么用于休眠等待事件发生。

以select为例，用户线程发起select调用，会切换到内核空间，如果没有数据准备就绪，则用户线程阻塞到有数据来为止，select调用结束。结束之后用户线程获取到的只是「内核中有N个socket已经就绪」的这么一个信息，还需要用户线程对着1024长度的描述符数组进行遍历，才能获取到socket中的数据，这就是同步。

举个生活中的例子，我们给物流客服打电话询问我们的包裹是否已到达，如果未到达，我们就先睡一会儿，等到了之后客服给我们打电话把我们喊起来，然后我们屁颠屁颠地去快递驿站拿快递。这就是同步阻塞。

如果我们不想睡，就一直打电话问，直到包裹到了为止，然后再屁颠屁颠地去快递驿站拿快递。这就是同步非阻塞。

问题就是，能不能直接让物流的人把快递直接送到我家，别让我自己去拿啊！这就是异步。

3.2 理想的异步

我们理想中的完美异步应该是用户进程发起非阻塞调用，内核直接返回结果之后，用户线程可以立即处理下一个任务，只需要IO完成之后通过信号或回调函数的方式将数据传递给用户线程。如下图所示。

因此，在理想的异步环境下，数据准备阶段和数据拷贝阶段都是由内核完成的，不会对用户线程进行阻塞，这种内核级别的改进自然需要操作系统底层的功能支持。

3.3 现实的异步

现实比理想要骨感一些。

Linux内核并没有太惹眼的异步IO机制，这难不倒各路大神，比如Node的作者采用多线程模拟了这种异步效果。

比如让某个主线程执行主要的非IO逻辑操作，另外再起多个专门用于IO操作的线程，让IO线程进行阻塞IO或者非阻塞IO加轮询的方式来完成数据获取，通过IO线程和主线程之间通信进行数据传递，以此来实现异步。

还有一种方案是Windows上的IOCP，它在某种程度上提供了理想的异步，其内部依然采用的是多线程的原理，不过是内核级别的多线程。

遗憾的是，用Windows做服务器的项目并不是特别多，期待Linux在异步的领域上取得更大的进步吧。

4. 异步阻塞？

说完了同步异步、阻塞非阻塞，一个很自然的操作就是对他们进行排列组合。

• 同步非阻塞
• 异步非阻塞

但是异步阻塞是什么鬼？按照上文的解释，该IO模型在第一阶段应该是用户线程阻塞，等待数据；第二阶段应该是内核线程（或专门的IO线程）处理IO操作，然后把数据通过事件或者回调的方式通知用户线程，既然如此，那么第一步的阻塞完全没有必要啊！非阻塞调用，然后继续处理其他任务岂不是更好。

因此，压根不存在异步阻塞这种模型哦～

5. 千万分清主语是谁

最后给各位提个醒，和别人讨论阻塞非阻塞的时候千万要带上主语。

如果我问你，epoll是阻塞还是非阻塞？你怎么回答？

应该说，epoll_wait这个函数本身是阻塞的，但是epoll会将socket设置为非阻塞。因此单纯把epoll认为阻塞是太委屈它，认为其是非阻塞又抬举它。

具体关于epoll的说明可以参见IO多路复用中的epoll部分。