JavaIO同步异步与阻塞非阻塞的区别讲解.docx

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JavaIO同步异步与阻塞非阻塞的区别讲解

同步/异步与阻塞/非阻塞的区别

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1、同步阻塞I/O（最常用）

I/O密集型与CPU密集型进程的比较

I/O密集型进程所执行的I/O操作比执行的处理操作更多。

CPU密集型的进程所执行的处理操作比I/O操作更多。

Linux2.6的调度器实际上更加偏爱I/O密集型的进程，因为它们通常会发起一个I/O操作，然后进行阻塞，这就意味着其他工作都可以在两者之间有效地交错进行。

最常用的一个模型是同步阻塞I/O模型。

在这个模型中，用户空间的应用程序执行一个系统调用，这会导致应用程序阻塞。

这意味着应用程序会一直阻塞，直到系统调用完成为止（数据传输完成或发生错误）。

调用应用程序处于一种不再消费CPU而只是简单等待响应的状态，因此从处理的角度来看，这是非常有效的。

图2给出了传统的模型,同步阻塞I/O模型，这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。

其行为非常容易理解，其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。

在调用 read 系统调用时，应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。

然后会触发读操作，当响应返回时（从我们正在从中读取的设备中返回），数据就被移动到用户空间的缓冲区中。

然后应用程序就会解除阻塞（read 调用返回）。

图2.同步阻塞I/O模型的典型流程

从应用程序的角度来说，read 调用会延续很长时间。

实际上，在内核执行读操作和其他工作时，应用程序的确会被阻塞。

2、同步非阻塞I/O（效率稍低）

同步I/O的一种效率稍低的变种是同步非阻塞I/O。

在这种模型中，设备是以非阻塞的形式打开的。

这意味着I/O操作不会立即完成，read操作可能会返回一个错误代码，说明这个命令不能立即满足（EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），如图3所示。

图3.同步非阻塞I/O模型的典型流程

非阻塞的实现是I/O命令可能并不会立即满足，需要应用程序调用许多次来等待操作完成。

这可能效率不高，因为在很多情况下，当内核执行这个命令时，应用程序必须要进行忙碌等待，直到数据可用为止，或者试图执行其他工作。

正如图3所示的一样，这个方法可以引入I/O操作的延时，因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔，这会导致整体数据吞吐量的降低。

3、异步阻塞I/O（效率不是非常高）

另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞I/O。

在这种模型中，配置的是非阻塞I/O，然后使用阻塞 select 系统调用来确定一个I/O描述符何时有操作。

使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知，而不仅仅为一个描述符提供通知。

对于每个提示符来说，我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

图4.异步阻塞I/O模型的典型流程（select）

select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。

尽管这是异步通知使用的一种方便模型，但是对于高性能的I/O操作来说不建议使用。

4、异步非阻塞I/O（AIO）

最后，异步非阻塞I/O模型是一种处理与I/O重叠进行的模型。

读请求会立即返回，说明 read 请求已经成功发起了。

在后台完成读操作时，应用程序然后会执行其他处理操作。

当 read 的响应到达时，就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次I/O处理过程。

图5.异步非阻塞I/O模型的典型流程

在一个进程中为了执行多个I/O请求而对计算操作和I/O处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与I/O速度之间的差异。

当一个或多个I/O请求挂起时，CPU可以执行其他任务；或者更为常见的是，在发起其他I/O的同时对已经完成的I/O进行操作。

异步I/O的动机

从前面I/O模型的分类中，我们可以看出AIO的动机。

这种阻塞模型需要在I/O操作开始时阻塞应用程序。

这意味着不可能同时重叠进行处理和I/O操作。

同步非阻塞模型允许处理和I/O操作重叠进行，但是这需要应用程序根据重现的规则来检查I/O操作的状态。

这样就剩下异步非阻塞I/O了，它允许处理和I/O操作重叠进行，包括I/O操作完成的通知。

除了需要阻塞之外，select 函数所提供的功能（异步阻塞I/O）与AIO类似。

不过，它是对通知事件进行阻塞，而不是对I/O调用进行阻塞。

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我喜欢用自己的语言通过联系现实生活中的一些现象解释一些概念,当我能做到这一点时,说明我已经理解了这个概念.今天要解释的概念是:

同步/异步与阻塞/非阻塞的区别.

这两组概念常常让人迷惑,因为它们都是涉及到IO处理,同时又有着一些相类似的地方.

首先来解释同步和异步的概念,这两个概念与消息的通知机制有关.

举个例子,比如我去银行办理业务,可能选择排队等候,也可能取一个小纸条上面有我的号码,等到排到我这一号时由柜台的人通知我轮到我去办理业务了.前者（排队等候）就是同步等待消息,而后者（等待别人通知）就是异步等待消息.在异步消息处理中,等待消息者（在这个例子中就是等待办理业务的人）往往注册一个回调机制,在所等待的事件被触发时由触发机制（在这里是柜台的人）通过某种机制（在这里是写在小纸条上的号码）找到等待该事件的人.

而在实际的程序中,同步消息处理就好比简单的read/write操作,它们需要等待这两个操作成功才能返回;而异步处理机制就是类似于select/poll之类的多路复用IO操作,当所关注的消息被触发时,由消息触发机制通知触发对消息的处理.

其次再来解释一下阻塞和非阻塞,这两个概念与程序等待消息（无所谓同步或者异步）时的状态有关.

继续上面的那个例子,不论是排队还是使用号码等待通知,如果在这个等待的过程中,等待者除了等待消息之外不能做其它的事情,那么该机制就是阻塞的,表现在程序中,也就是该程序一直阻塞在该函数调用处不能继续往下执行.相反,有的人喜欢在银行办理这些业务的时候一边打打电话发发短信一边等待,这样的状态就是非阻塞的,因为他（等待者）没有阻塞在这个消息通知上,而是zai一边做自己的事情一边等待.

但是需要注意了,第一种同步非阻塞形式实际上是效率低下的,想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有,如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话,这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换,效率可想而知是低下的;

而后者,异步非阻塞形式却没有这样的问题,因为打电话是你（等待者）的事情,而通知你则是柜台（消息触发机制）的事情,程序没有在两种不同的操作中来回切换.

很多人会把同步和阻塞混淆,我想是因为很多时候同步操作会以阻塞的形式表现出来,比如很多人会写阻塞的read/write操作,但是别忘了可以对fd设置O_NONBLOCK标志位,这样就可以将同步操作变成非阻塞的了;

同样的,很多人也会把异步和非阻塞混淆,因为异步操作一般都不会在真正的IO操作处被阻塞,比如如果用select函数,当select返回可读时再去read,一般都不会被阻塞,就好比当你的号码排到时,一般都是在你之前已经没有人了,所以你再去柜台办理业务就不会被阻塞.

可见,同步/异步与阻塞/非阻塞是两组不同的概念,它们可以共存组合,也可以参见这里:

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昨晚写完这篇文章之后,今早来看了看反馈,同时再自己阅读了几遍,发现还是有一些地方解释的不够清楚,在这里继续补充完善一下我的说法,但愿没有越说越糊涂.

同步和异步:

上面提到过,同步和异步仅仅是关于所关注的消息如何通知的机制,而不是处理消息的机制.也就是说,同步的情况下,是由处理消息者自己去等待消息是否被触发,而异步的情况下是由触发机制来通知处理消息者,所以在异步机制中,处理消息者和触发机制之间就需要一个连接的桥梁.在我们举的例子中这个桥梁就是小纸条上面的号码,而在select/poll等IO多路复用机制中就是fd,当消息被触发时,触发机制通过fd找到处理该fd的处理函数.

请注意理解消息通知和处理消息这两个概念,这是理解这个问题的关键所在.还是回到上面的例子,轮到你办理业务这个就是你关注的消息,而去办理业务就是对这个消息的处理,两者是有区别的.而在真实的IO操作时,所关注的消息就是该fd是否可读写,而对消息的处理就是对这个fd进行读写.同步/异步仅仅关注的是如何通知消息,它们对如何处理消息并不关心,好比说,银行的人仅仅通知你轮到你办理业务了,而如何办理业务他们是不知道的.

而很多人之所以把同步和阻塞混淆,我想也是因为没有区分这两个概念,比如阻塞的read/write操作中,其实是把消息通知和处理消息结合在了一起,在这里所关注的消息就是fd是否可读/写,而处理消息则是对fd读/写.当我们将这个fd设置为非阻塞的时候,read/write操作就不会在等待消息通知这里阻塞,如果fd不可读/写则操作立即返回.

很多人又会问了,异步操作不会是阻塞的吧?

已经通知了有消息可以处理了就一定不是阻塞的了吧?

其实异步操作是可以被阻塞住的,只不过通常不是在处理消息时阻塞,而是在等待消息被触发时被阻塞.比如select函数,假如传入的最后一个timeout参数为NULL,那么如果所关注的事件没有一个被触发,程序就会一直阻塞在这个select调用处.

而如果使用异步非阻塞的情况,比如aio_*组的操作,当我发起一个aio_read操作时,函数会马上返回不会被阻塞,当所关注的事件被触发时会调用之前注册的回调函数进行处理,具体可以参见我上面的连接给出的那篇文章.

回到上面的例子中,如果在银行等待办理业务的人采用的是异步的方式去等待消息被触发,也就是领了一张小纸条,假如在这段时间里他不能离开银行做其它的事情,那么很显然,这个人被阻塞在了这个等待的操作上面;但是呢,这个人突然发觉自己烟瘾犯了,需要出去抽根烟,于是他告诉大堂经理说,排到我这个号码的时候麻烦到外面通知我一下（注册一个回调函数）,那么他就没有被阻塞在这个等待的操作上面,自然这个就是异步+非阻塞的方式了.