【Socket编程】篇五之IO同步、异步、阻塞、非阻塞

参考自：http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378（ 智障大师 的专栏《IO - 同步，异步，阻塞，非阻塞 （亡羊补牢篇）》）

参考Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2节“I/O Models ”

我们详细探讨一下 I/O 模型：

1）同步模型（synchronous I/O）

_1、阻塞I/O（bloking I/O）

_2、非阻塞I/O（non-blocking I/O）

_3、多路复用I/O（multiplexing I/O）

_4、信号驱动式I/O（signal-driven I/O）

2）异步模型（asynchronous I/O）

对于一个network IO (以read举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process (thread)，另一个就是系统内核 (kernel)。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

1 、等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)；

2 、将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)。

记住这两点很重要，因为这些IO Model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

1、阻塞IO                                                                                                                                                                        

linux中，默认情况下所有的socket都是blocking IO，一个典型的读操作流程大概是这样：

当用户进程调用了 recvfrom 函数后，kernel 就开始了IO的第一个阶段：准备数据。对于network IO来说，很多时候数据在一开始还没有到达（比如，还没有收到一个完整的UDP包），这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果，用户进程才解除阻塞的状态，重新运行起来。所以，blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

2、非阻塞IO                                                                                                                                                                     

当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。从用户进程角度讲 ，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果。用户进程判断结果是一个error时，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。所以，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

3、IO多路复用                                                                                                                                                                 

IO多路复用常用的方法有：select、poll以及epoll三种。IO多路复用的好处就在于单个process就可以同时处理多个网络连接的IO。

以select为例：

当用户进程调用了select，那么整个进程会被阻塞，而同时kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。

这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个socket。（所以，如果处理的连接数不是很多的话，使用 select/poll/epoll 的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。select/poll/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快，而是在于能处理更多的连接。）
在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

4、异步IO                                                                                                                                                                                                                  

                                             

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。        

blocking vs non-blocking（看第一阶段）

调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。    

synchronous IO vs asynchronous IO（看第二阶段）

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;     

两者的区别就在于synchronous IO在做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，也即数据从 kernel 搬运到进程的过程。

特别的，我们分析下 non-blocking IO：non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

各个IO Model的比较如图所示：

注意其中的 signal-driven I/O 使用较少，我们不做讨论。