同步，异步，阻塞，非阻塞 和 几种网络模型

1. 同步，异步，阻塞，非阻塞

同步和异步

同步异步关注的是消息通讯机制，在我的理解里，同步和异步是在操作系统层面的概念。异步通常通过系统调用来返回结果。

- 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。

- 异步： 异步的概念和同步相对。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。

阻塞和非阻塞

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： 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。

2. 三种系统I/O模型

阻塞型

阻塞型I/O意味着控制权只到调用操作结束了才会回到调用者手里。 结果调用者被阻塞了， 这段时间了做不了任何其它事情。 更郁闷的是，在等待IO结果的时间里，调用者所在线程此时无法腾出手来去响应其它的请求，这真是太浪费资源了。拿read()操作来说吧， 调用此函数的代码会一直僵在此处直至它所读的socket缓存中有数据到来。

非阻塞同步

非阻塞同步是会立即返回控制权给调用者的。调用者不需要等等，它从调用的函数获取两种结果：要么此次调用成功进行了;要么系统返回错误标识告诉调用者当前资源不可用，你再等等或者再试度看吧（操作并未开始进行）。比如read()操作， 如果当前socket无数据可读，则立即返回EWOULBLOCK/EAGAIN，告诉调用read()者”数据还没准备好，你稍后再试”。

非阻塞异步

调用函数在立即返回时，告诉调用者，这次请求已经开始了。系统会使用另外的资源或者线程来完成这次调用操作，并在完成的时候知会调用者（比如通过回调函数）。拿Windows的ReadFile()或者POSIX的aio_read()来说，调用它之后，函数立即返回，操作系统在后台同时开始读操作。

以上三种IO形式中，非阻塞异步是性能最高、伸缩性最好的。

3. 几种I/O模型的比较

阻塞I/O（linux下默认的socket操作）

非阻塞I/O

I/O复用（select、epoll）

异步I/O（iocp）

阻塞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：



当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，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block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。

非阻塞I/O

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：



从图中可以看出，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。

I/O复用

select和epoll都是I/O复用类型的，select/epoll的好处就在于单个进程就可以同时处理多个网络连接的IO。它的基本原理就是select/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程。它的流程如图：



当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，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connection。select/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。

异步I/O

windows下的iocp模型是异步I/O的典型例子。

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的输入输出操作。



epoll 与 iocp

Epoll 和 IOCP 都是为高性能网络服务器而设计的高效 I/O 模型；都是基于事件驱动的。

两者的不同之处：

1.Epoll 用于 Linux 系统；而 IOCP 则是用于 Windows；

2.Epoll 是当事件资源满足时发出可处理通知消息；而 IOCP 则是当事件完成时发出完成通知消息。

3.从应用程序的角度来看， Epoll 本质上来讲是同步非阻塞的，而 IOCP 本质上来讲则是异步操作；这是才二者最大的不同。