UNIX网络编程1 理解同步、阻塞、非阻塞、异步网络I/O

本文侧重的是网络I/O，如blocking、non-blocking、I/O multiplexing(event driven I/O)、signal-driven(不常用)、 asynchronous这几种UNIX网络编程中提到的模型。

wiki中的Asynchronous I/O认为，asynchronous I/O和non-blocking I/O是一个意思，都是指一种I/O处理形式：在传输完成之前，允许用户进程去继续执行其他的事情。synchronous I/O或blocking I/O在通信进行时会阻塞用户程序的执行，等待I/O操作的完成。

stackoverflow中有人这样描述：blocking和synchronous的意思是，当调用API时，当前线程会被挂起，直到有结果返回；Non-blocking则是如果结果还没有准备好，调用的API立马返回一个error并且不再做任何事情。因此你必须用一些相关方法来查询该API是否准备好被调用（最好是以一种高效的方式模仿等待，而避免在一个紧凑的循环中手动polling轮询）；Asynchronous的意思是调用的API总是立即返回，而且后台还在完成请求工作，因此必定有一些方法来获得结果，这和non-blocking是有区别的地方。

还有一种说法，同步和异步是针对应用程序和内核交互而言的，同步过程中进程触发IO操作并等待或者轮询的去查看IO操作是否完成。异步过程中进程触发IO操作以后，直接返回，做自己的事情，IO交给内核来处理，完成后内核通知进程IO完成。

综合各种说法，我们可以得出结论：Asynchronous I/O异步在整个I/O过程发出请求的用户进程都不阻塞，所以肯定是非阻塞。阻塞和非阻塞可以理解为进行一个调用时，这个调用能不能立即返回，non-blocking模式下recvfrom可以立即返回，所以在内核检查数据未准备好时这个调用是非阻塞的，多路复用（select、poll、epoll）对每个socket来说都设置成non-blocking，select函数本身通过指定timeout是0秒0毫秒变成非阻塞函数，而拷贝数据阶段大家都是阻塞的，用户应用进程和内核是同步的。所以，同步模型肯定有阻塞的过程（拷贝数据阶段），也有可能有非阻塞调用。于是乎，select就变成了同步非阻塞模型。

对于一个网络I/O比如read，涉及到用户空间的应用程序进程或线程和系统内核，当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：

1）等待数据准备

2）将数据从内核拷贝到进程中

按照这两个阶段，以recvfrom对比blocking、non-blocking、multiplexing、asynchronous，详见UNIX网络编程卷1第6章。

blocking I/O：

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样，不管是在kernel等待数据准备阶段，还是在从内核复制数据到用户进程阶段，应用程序都是blocking：

non-blocking I/O：

在linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking，对一个non-blocking socket执行读操作，当kernel还在等待数据准备好时，用户应用程序调用recvfrom系统调用则会立即返回一个错误EWOULDBLOCK，可以循环调用recvfrom（轮询）不断查询内核看数据是否准备好，这个阶段用户应用进程是non-blocking的：

I/O multiplexing：

在linux中，调用select或poll系统调用，用户应用程序就在这两个系统调用上阻塞blocking，而不是阻塞于真正的I/O系统调用。应用程序阻塞于select调用，等待socket可读，当select返回socket可读条件时，应用程序就可以调用recvfrom将数据报从内核拷贝到应用空间中。

和blocking I/O对比，其实在内核等待数据准备阶段和从内核拷贝数据到用户空间阶段，应用程序都blocking了，只不过multiplexing在第一个阶段是阻塞与select系统调用。在处理单个连接时，由于multiplexing使用了两个系统调用，实际上比直接blocking I/O性能还差，但multiplexing的目的并不是处理单个连接，二是同时处理多个连接（连接数较少时，使用多线程+直接blocking延迟可能更低）。

在multiplexing中，对于每一个socket一般都设置成non-blocking（即select再往下调用，询问单个socket的数据是否准备好时是non-blocking的），但用户应用程序是一直blocking的，只不过不是被I/O系统调用所block。

asynchronous I/O：

用户应用程序发起aio_read操作之后，就立即可以去做其他的事情。在kernel中，当它收到一个aio_read后，首先会立刻返回所以不会对用户进程产生任何block。然后kernel等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户空间，当这两个阶段都完成后，kernel会给应用进程发送一个siignal，告诉它read操作完成了。

比较四种模型，blocking、non-block、multiplexing、signal（未讨论）主要区别是在第一阶段，第二阶段基本相同，在数据从内核拷贝到调用者的缓冲区时，进程阻塞于recvfrom调用。而异步I/O模型处理的两个阶段都不同于前四个模型。来源于UNIX网络编程第6张图6.6：

我们认为，blocking、non-blocking、multiplexing(event-driven)、signal-driven I/O模型和asynchronous是有明显区别的，即在I/O操作第二阶段会阻塞，所以认为这四种都是同步I/O模型。

另外Posix.1定义同步和异步I/O为：

• 同步I/O操作引起请求进程阻塞，直到I/O操作完成。non-blocking I/O的recvfrom调用在数据没准备好时立即返回这是non-blocking的效果，对于select/poll也一样，但是在拷贝数据阶段都不得不阻塞用户进程。
• 异步I/O操作不引起请求进程阻塞，调用aio_read后立即返回，请求进程可以去干别的事情，内核完成I/O操作后向请求进程递交在aio_read中指定的信号，用户应用程序还得有信号处理程序来另外处理信号从而接收数据报。

参考：

http://blog.csdn.net/historyasamirror/article/details/5778378

http://www.cnblogs.com/Anker/p/3254269.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Asynchronous_I/O

http://stackoverflow.com/questions/2625493/asynchronous-vs-non-blocking

《UNIX网络编程第1卷 第6章》