POSIX對同步、異步I/O的定義

一. POSIX對同步、異步I/O的定義

我們先大致看看POSIX對同步、異步的定義，不用細(xì)究，重點看我標(biāo)紅的部分就行。

同步I/O會導(dǎo)致請求進程阻塞，直到I/O操作完成；

異步I/O不會導(dǎo)致請求進程阻塞。

二. 同步、異步，阻塞、非阻塞

個人理解同步與否與阻塞與否只是看待問題的不同維度，不用過于追究同步和阻塞有什么區(qū)別、以及異步和非阻塞有什么區(qū)別。

我用小明購買火車票的例子大致先講述下同步、異步，阻塞、非阻塞這幾種情況的組合。

同步阻塞，小明去火車站買票。首先，他需要在某一個售票窗口排隊，當(dāng)輪到他買票時，他需要告訴售票員他需要一張去上海的火車票，然后售票員需要去系統(tǒng)查詢是否還有余票，有的話再收款出票，最后再把票給小明。在火車票到手之前，小明都不能做其他的事情，這種情況我們可以理解為阻塞。

同步非阻塞，小明委托黃牛幫忙買火車票，然后小明可以做其他事情，但是需要每隔10分鐘就打電話去詢問黃牛票是否買到。黃牛買到票后，打電話通知小明說票已經(jīng)買到，小明再去黃牛那里取火車票。這里的非阻塞指的是黃牛在買票的過程中，小明是不用等待的，他可以做其他事情，只是需不時地去詢問黃牛票是否買好。但是，在小明去黃牛那里取票的過程中，小明還是不能做其他事情。

異步阻塞，基本上沒有這個說法。

異步非阻塞，小明委托黃牛幫忙買火車票，然后小明可以做其他事情，黃牛買好票后會自動把票送到小明的家里。在這整個過程中，小明都可以做他自己想做的事情，不會被阻塞。

三. Unix中的I/O模型

OK，有了上面的基礎(chǔ)過后，我們可以開始講I/O模型了。

在網(wǎng)絡(luò)Socket的輸入操作中，I/O大致可以分為兩個階段，這個兩個階段大家務(wù)必掌握：

數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中抵達，然后數(shù)據(jù)被復(fù)制到系統(tǒng)內(nèi)核的緩沖區(qū)；

系統(tǒng)內(nèi)核將內(nèi)核緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶進程的緩沖區(qū)中。

在Unix中有5種I/O模型，它們是：

阻塞式I/O

非阻塞式I/O

多路復(fù)用I/O

信號驅(qū)動I/O

異步I/O

下面，我們逐一分析每種I/O模型。

1.阻塞式I/O

阻塞式I/O，即Blocking I/O。用戶發(fā)起一個recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核會等待數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)中到達。一旦數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒，系統(tǒng)內(nèi)核將把自己的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶進程的緩沖區(qū)。在系統(tǒng)內(nèi)核等待數(shù)據(jù)、復(fù)制數(shù)據(jù)的過程中，用戶進程是不能做其他任何事情的，只能等待內(nèi)核完成上述一系列的操作。

2.非阻塞式I/O

與阻塞式I/O不同，非阻塞式I/O中，用戶進程在發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用后可以立即返回，但是用戶進程需要不時地循環(huán)詢問系統(tǒng)內(nèi)核數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，即輪詢（polling）。輪詢往往會消耗大量的CPU時間。

下圖中，用戶進程發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，由于系統(tǒng)內(nèi)核中數(shù)據(jù)尚未就緒，內(nèi)核會立即返回EWOULDBLOCK錯誤碼，防止用戶進程阻塞。如此往復(fù)，直到系統(tǒng)內(nèi)核中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。在數(shù)據(jù)就緒前，用戶進程是非阻塞的，這也就是為什么這種模型叫非阻塞式I/O的原因。數(shù)據(jù)就緒后，和阻塞式I/O一樣，內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝至用戶進程，在數(shù)據(jù)拷貝的過程中，用戶進程是阻塞的。

3.多路復(fù)用I/O

多路復(fù)用I/O的關(guān)鍵函數(shù)為select或者poll。我們以select函數(shù)為例，當(dāng)我們調(diào)用該函數(shù)時，用戶進程將阻塞，直到系統(tǒng)內(nèi)核中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。數(shù)據(jù)就緒后，系統(tǒng)會通知用戶進程數(shù)據(jù)已經(jīng)可讀，然后用戶進程會發(fā)起recvfrom系統(tǒng)調(diào)用，將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶進程，在數(shù)據(jù)拷貝期間，用戶進程是阻塞的。

使用多路復(fù)用的優(yōu)勢是我們可以等待多個描述符就緒，對應(yīng)到Java NIO多路復(fù)用模型中就是我們可以使用一個線程監(jiān)聽多個Channel的請求。

4.信號驅(qū)動I/O

信號驅(qū)動I/O模型主要是讓內(nèi)核在描述符就緒的時候發(fā)送SIGIO信號通知用戶進程，據(jù)我的了解，這種I/O模式運用的并不多，這里就不多描述，直接看圖吧。

5.異步I/O

用戶進程在調(diào)用異步I/O函數(shù)后會立即返回，并且會讓內(nèi)核在完成所有操作后通知用戶進程。在內(nèi)核進行I/O操作的期間，我們的用戶進程不會阻塞。特別需要注意的是，和前面四中I/O模型不同，異步I/O模型在內(nèi)核將數(shù)據(jù)拷貝到用戶進程時，我們的用戶進程不會阻塞。

四. I/O模型對比

對比上述5中I/O模型我們可以發(fā)現(xiàn)，前面4種模型的區(qū)別主要在第一階段，而第二階段都是一樣的，即將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到用戶進程時都會阻塞。根據(jù)POSIX對同步、異步I/O的定義，可以得出前4種模型都屬于同步I/O。而第5種I/O，即異步I/O，兩個階段的操作都是由系統(tǒng)內(nèi)核來處理的，用戶進程并沒有介入。