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同步 异步 阻塞 非阻塞机制

2015-08-26 23:22 537 查看
知乎:

阻塞”与"非阻塞"与"同步"与“异步"不能简单的从字面理解,提供一个从分布式系统角度的回答。

1.同步与异步

同步和异步关注的是消息通信机制 (synchronous
communication/ asynchronous communication)

所谓同步,就是在发出一个*调用*时,在没有得到结果之前,该*调用*就不返回。但是一旦调用返回,就得到返回值了。

换句话说,就是由*调用者*主动等待这个*调用*的结果。

而异步则是相反,*调用*在发出之后,这个调用就直接返回了,所以没有返回结果。换句话说,当一个异步过程调用发出后,调用者不会立刻得到结果。而是在*调用*发出后,*被调用者*通过状态、通知来通知调用者,或通过回调函数处理这个调用。

典型的异步编程模型比如Node.js

举个通俗的例子:

你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书,如果是同步通信机制,书店老板会说,你稍等,”我查一下",然后开始查啊查,等查好了(可能是5秒,也可能是一天)告诉你结果(返回结果)。

而异步通信机制,书店老板直接告诉你我查一下啊,查好了打电话给你,然后直接挂电话了(不返回结果)。然后查好了,他会主动打电话给你。在这里老板通过“回电”这种方式来回调。

2. 阻塞与非阻塞

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果(消息,返回值)时的状态.

阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。

非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前,该调用不会阻塞当前线程。

还是上面的例子,

你打电话问书店老板有没有《分布式系统》这本书,你如果是阻塞式调用,你会一直把自己“挂起”,直到得到这本书有没有的结果,如果是非阻塞式调用,你不管老板有没有告诉你,你自己先一边去玩了, 当然你也要偶尔过几分钟check一下老板有没有返回结果。

在这里阻塞与非阻塞与是否同步异步无关。跟老板通过什么方式回答你结果无关。

《node.js开发指南》:

线程在执行中如果遇到(I/O 操作)如磁盘读写或网络通信,通常要耗费较长的时间,这时操作系统会剥夺这个线程的 CPU 控制权,使其暂停执行,同时将资源让给其他的工作线程,这种线程调度方式称为 阻塞。当 I/O 操作完毕时,操作系统将这个线程的阻塞状态解除,恢复其对CPU的控制权,令其继续执行。这种 I/O 模式就是通常的同步式 I/O(Synchronous I/O)或阻塞式 I/O(Blocking I/O)。

网络:

在进行网络编程时,我们常常见到同步(Sync)/异步(Async),阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四种调用方式:

同步:

所谓同步,就是在发出一个功能调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回。也就是必须一件一件事做,等前一件做完了才能做下一件事。

例如普通B/S模式(同步):提交请求->等待服务器处理->处理完毕返回 这个期间客户端浏览器不能干任何事

异步:

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。

例如
ajax请求(异步): 请求通过事件触发->服务器处理(这是浏览器仍然可以作其他事情)->处理完毕

阻塞

阻塞调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起(线程进入非可执行状态,在这个状态下,cpu不会给线程分配时间片,即线程暂停运行)。函数只有在得到结果之后才会返回。

有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来,实际上他是不同的。对于同步调用来说,很多时候当前线程还是激活的,只是从逻辑上当前函数没有返回而已。 例如,我们在socket中调用recv函数,如果缓冲区中没有数据,这个函数就会一直等待,直到有数据才返回。而此时,当前线程还会继续处理各种各样的消息。

阻塞模式给网络编程带来了一个很大的问题,如在调用 send()的同时,线程将被阻塞,在此期间,线程将无法执行任何运算或响应任何的网络请求。这给多客户机、多业务逻辑的网络编程带来了挑战。这时,我们可能会选择多线程的方式来解决这个问题。

应对多客户机的网络应用,最简单的解决方式是在服务器端使用多线程(或多进程)。多线程(或多进程)的目的是让每个连接都拥有独立的线程(或进程),这样任何一个连接的阻塞都不会影响其他的连接。

具体使用多进程还是多线程,并没有一个特定的模式。传统意义上,进程的开销要远远大于线程,所以,如果需要同时为较多的客户机提供服务,则不推荐使用多进程;如果单个服务执行体需要消耗较多的 CPU 资源,譬如需要进行大规模或长时间的数据运算或文件访问,则进程较为安全。通常,使用
pthread_create () 创建新线程,fork()
创建新进程。

多线程/进程服务器同时为多个客户机提供应答服务。

主线程持续等待客户端的连接请求,如果有连接,则创建新线程,并在新线程中提供为前例同样的问答服务。

上述多线程的服务器模型似乎完美的解决了为多个客户机提供问答服务的要求,但其实并不尽然。如果要同时响应成百上千路的连接请求,则无论多线程还是多进程都会严重占据系统资源,降低系统对外界响应效率,而线程与进程本身也更容易进入假死状态。
由此可能会考虑使用“线程池”或“连接池”。“线程池”旨在减少创建和销毁线程的频率,其维持一定合理数量的线程,并让空闲的线程重新承担新的执行任务。“连接池”维持连接的缓存池,尽量重用已有的连接、减少创建和关闭连接的频率。这两种技术都可以很好的降低系统开销,都被广泛应用很多大型系统,如apache,mysql数据库等。

但是,“线程池”和“连接池”技术也只是在一定程度上缓解了频繁调用 IO 接口带来的资源占用。而且,所谓“池”始终有其上限,当请求大大超过上限时,“池”构成的系统对外界的响应并不比没有池的时候效果好多少。所以使用“池”必须考虑其面临的响应规模,并根据响应规模调整“池”的大小。

对应上例中的所面临的可能同时出现的上千甚至上万次的客户端请求,“线程池”或“连接池”或许可以缓解部分压力,但是不能解决所有问题。


IO复用模型:

I/O复用模型会用到select、poll、epoll函数,这几个函数也会使进程阻塞,但是和阻塞I/O所不同的的,这两个函数可以同时阻塞多个I/O操作。而且可以同时对多个读操作,多个写操作的I/O函数进行检测,直到有数据可读或可写时,才真正调用I/O操作函数。


信号驱动IO

首先我们允许套接口进行信号驱动I/O,并安装一个信号处理函数,进程继续运行并不阻塞。当数据准备好时,进程会收到一个SIGIO信号,可以在信号处理函数中调用I/O操作函数处理数据。



select、poll、epoll简介

epoll跟select都能提供多路I/O复用的解决方案。在现在的Linux内核里有都能够支持,其中epoll是Linux所特有,而select则应该是POSIX所规定,一般操作系统均有实现

select:

select本质上是通过设置或者检查存放fd标志位的数据结构来进行下一步处理。这样所带来的缺点是:

1、 单个进程可监视的fd数量被限制,即能监听端口的大小有限。

一般来说这个数目和系统内存关系很大,具体数目可以cat /proc/sys/fs/file-max察看。32位机默认是1024个。64位机默认是2048.

2、 对socket进行扫描时是线性扫描,即采用轮询的方法,效率较低:

当套接字比较多的时候,每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数,当他们活跃时,自动完成相关操作,那就避免了轮询,这正是epoll与kqueue做的。

3、需要维护一个用来存放大量fd的数据结构,这样会使得用户空间和内核空间在传递该结构时复制开销大

poll:

poll本质上和select没有区别,它将用户传入的数组拷贝到内核空间,然后查询每个fd对应的设备状态,如果设备就绪则在设备等待队列中加入一项并继续遍历,如果遍历完所有fd后没有发现就绪设备,则挂起当前进程,直到设备就绪或者主动超时,被唤醒后它又要再次遍历fd。这个过程经历了多次无谓的遍历。

它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的,但是同样有一个缺点:

1、大量的fd的数组被整体复制于用户态和内核地址空间之间,而不管这样的复制是不是有意义。 2、poll还有一个特点是“水平触发”,如果报告了fd后,没有被处理,那么下次poll时会再次报告该fd。
epoll:

epoll支持水平触发和边缘触发,最大的特点在于边缘触发,它只告诉进程哪些fd刚刚变为就需态,并且只会通知一次。还有一个特点是,epoll使用“事件”的就绪通知方式,通过epoll_ctl注册fd,一旦该fd就绪,内核就会采用类似callback的回调机制来激活该fd,epoll_wait便可以收到通知

epoll的优点:

1、没有最大并发连接的限制,能打开的FD的上限远大于1024(1G的内存上能监听约10万个端口);

2、效率提升,不是轮询的方式,不会随着FD数目的增加效率下降。只有活跃可用的FD才会调用callback函数;

即Epoll最大的优点就在于它只管你“活跃”的连接,而跟连接总数无关,因此在实际的网络环境中,Epoll的效率就会远远高于select和poll。

3、 内存拷贝,利用mmap()文件映射内存加速与内核空间的消息传递;即epoll使用mmap减少复制开销

select、poll、epoll 区别总结:

1、支持一个进程所能打开的最大连接数
select
单个进程所能打开的最大连接数有FD_SETSIZE宏定义,其大小是32个整数的大小(在32位的机器上,大小就是32*32,同理64位机器上FD_SETSIZE为32*64),当然我们可以对进行修改,然后重新编译内核,但是性能可能会受到影响,这需要进一步的测试。
poll
poll本质上和select没有区别,但是它没有最大连接数的限制,原因是它是基于链表来存储的
epoll
虽然连接数有上限,但是很大,1G内存的机器上可以打开10万左右的连接,2G内存的机器可以打开20万左右的连接
2、FD剧增后带来的IO效率问题
select
因为每次调用时都会对连接进行线性遍历,所以随着FD的增加会造成遍历速度慢的“线性下降性能问题”。
poll
同上
epoll
因为epoll内核中实现是根据每个fd上的callback函数来实现的,只有活跃的socket才会主动调用callback,所以在活跃socket较少的情况下,使用epoll没有前面两者的线性下降的性能问题,但是所有socket都很活跃的情况下,可能会有性能问题。
3、 消息传递方式
select
内核需要将消息传递到用户空间,都需要内核拷贝动作
poll
同上
epoll
epoll通过内核和用户空间共享一块内存来实现的。
总结:

综上,在选择select,poll,epoll时要根据具体的使用场合以及这三种方式的自身特点。

1、表面上看epoll的性能最好,但是在连接数少并且连接都十分活跃的情况下,select和poll的性能可能比epoll好,毕竟epoll的通知机制需要很多函数回调。

2、select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的,视情况而定,也可通过良好的设计改善

注 : read 阻塞与非阻塞 (论坛)

read函数只是一个通用的读文件设备的接口。是否阻塞需要由设备的属性和设定所决定。一般来说,读字符终端、网络的socket描述字,管道文件等,这些文件的缺省read都是阻塞的方式。如果是读磁盘上的文件,一般不会是阻塞方式的。但使用锁和fcntl设置取消文件O_NOBLOCK状态,也会产生阻塞的read效果。

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