一文彻底搞定(阻塞/非阻塞/同步/异步)网络IO、并发编程模型、异步编程模型的爱恨情仇

概述

  是否和我有一样的困惑。什么阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO，多路复用(epoll)等本质还是同步IO，这时可能你和我一样懵逼多路复用是同步的IO，那么使用epoll的nginx、redis、swoole等服务端程序又是异步的，这不前后矛盾么？网上文章又是五花八门，越看越糊涂。终于我无法忍受这样概念不清晰，乱麻一般的萦绕在我的心头。我决定要彻底拨开云雾见蓝天，啊！终于在一个阳光明媚的午后，就彻底顿悟了，这感觉如同德芙一般丝滑。今天就跟随我的步伐让你有丝滑一般的感觉，兄弟们走起来！！！！

网络IO

IO：IO是input/ouput英文缩写，顾名思义就是输入输出的意思，在计算中以CPU为视角，所有和外设(键盘、显卡、网卡、打印机的等)的数据操作都是涉及IO操作，外设流向CPU的是input，流向外设的就是ouput。网路IO就是网卡和CPU之间的数据交互
思考一个问题：网卡数据流向CPU都经过那些流程

数据流向示意图

用户进程发起一个网络IO操作的时候，大致上分为三个部分

1. 用户进程读取数据，读取数据只会有三个可能(有数据、没有数据、出错)
2. 网卡数据从网卡外设到内核空间(此过程现代计算机是不需要CPU参与，网卡控制器通过DMA技术直接搬运到内核空间)。数据完成空网卡控制器会发出中断信号。
3. 数据到内核之后CPU负责复制(在此我们先不考虑零拷贝情况)到用户空间。

用户进程和内核交互围绕着1和3进行。到此在1和3环节就会有很多故事发生了。且听我慢慢道来！！！！

在给出分类之前我先抛出阻塞、非阻塞、异步、同步的定义，定义来自《UNIX 网络编程卷一 》的 6.2 章节
根据 POSIX 定义:

• A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes(导致请求进程阻塞, 直到 IO 操作完成)。
• An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked(不导致请求进程阻塞)。

上述定义是说：如果在1阶段系统挂起用户进程，那么该IO操作就是阻塞IO，反之不挂起，就是非阻塞IO。如果在2阶段系统挂起用户进程，那么这次IO操作就是同步，反之不挂起就是异步。

有了上述的定义，我们如何尚方宝剑一样，在也不担心傻傻分不清网络IO相关晦涩难懂的概念了。就如同初中老师教会我们如何判断什么是化学反应变化是物理变化，判断标准就是看有无新的物质生成。我们判断网络分类标准就是如上述的定义。对，就是这么狭义！！！

操作针对上述1和3处理行为，我们将网络IO分类下列5类。

• 阻塞IO 此IO操作在1和3两个阶段，用户进程都在休眠状态
• 非阻塞I/O 此IO操作在1阶段未被挂起，3阶段被挂起
• 多路复用I/O 此IO操作在1阶段 (select,poll)被挂起、epoll未挂起，3阶段被挂起
• 信号驱动I/O 此IO操作在1阶段未挂起，的数据到从网卡到内核之后，CPU通过信号机制通知用户进程。用户进程3阶段被挂起
• 异步I/O 此IO操作在1和3阶段都不需要用户进程参与，数据拷贝完成后CPU会通知用户进程

此刻来一张很经典的图

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IO对比图

从图中和上述定义就能看到真正的异步IO只有最后一个是。其余四个都是同步IO。对于同步和异步深入理解，其实在3这个阶段CPU需要拷贝数据到用户空间，等于用户进程切换到内核空间去执行拷贝操作，这个时候用户进程只能被挂起等待CPU拷贝数据直到完成。用户进程被挂起这段时间，用户进程的后续代码都是无法执行的只能同步等待。

并发编程模型

追求性能极致的程序员们，不遗余力地压榨CPU。基于系统提供的网络IO模型，人类设计出形形色色的并发模型。

• 阻塞IO这种是完美无法提供并发的能力，只能串行的去处理客户端连接，所以网络IO就有了新的发展，进入到了非阻塞IO
• 非阻塞IO 这种IO模型 就能设计出多线程、多进程并发模型
• 多路复用 这便是并发能力秘密武器，基于这种网络IO 衍生出了 reactor反应堆并发模型，大名鼎鼎的nginx、redis就是reactor模型
• 信号驱动和异步IO 暂时还未有更多的使用

异步编程模型

在上述的并发模型中其实单纯靠多进程和多线程，还无法达到人们的预期。所以就有了异步编程模型，异步编程模型的宗旨就是，用户程序调用同步的网络IO 模拟异步IO。人们经常说的异步IO更多指的是 异步编程模型(netty就是典型的异步IO)

在异步编程过有两个核心的技术技术回调和协程。

总结

并非同步IO就会性能差，异步IO就会性能好。要具体情况而定！！！