IO的同步与异步，阻塞与非阻塞

同步（synchronous） IO和异步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO分别是什么，到底有什么区别？我们以Linux环境下的network IO来讨论。

对于一个network IO (以read举例)，它会涉及到两个系统对象，一个是调用这个IO的process (or thread)，另一个就是系统内核(kernel)。当一个read操作发生时，它会经历两个阶段：
1 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
2 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

Richard Stevens的“UNIX® Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking ”，6.2节“I/O Models ”有以下5种： blocking IO； nonblocking IO； IO multiplexing； signal driven IO； asynchronous IO。其中signal driven IO不常见，以下分析4中模型。然后再区分IO的同步与异步，阻塞与非阻塞。

I/O Models

1.阻塞式I/O模型 blocking IO

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking

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。这时在用户进程这边，整个进程挂起，被阻塞。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。

2.非阻塞I/O模型 non-blocking IO

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。

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，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，用户进程没有被挂起，可以干些别的，但是需要不断的主动询问kernel数据好了没有，直到准备好，发起一个系统调用。但是在第二个阶段仍然是block的。

3.I/O复用模型 IO multiplexing

I/O复用最常见的就是select和epoll，有些地方也称这种IO方式为event driven IO。select/epoll的好处就在于单个process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。

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，不能干别的，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。这个和阻塞式I/O模型 blocking IO的区别在于这里需要使用两个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。（多说一句。所以，如果处理的连接数不是很高的话，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延迟还更大。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。）
在IO multiplexing Model中，实际中，对于每一个socket，一般都设置成为non-blocking，但是，如上图所示，整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block，而不是被socket IO给block。

4.异步I/O模型 Asynchronous I/O

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

四者的区别：

blocking vs non-blocking：调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成，准备阶段和拷贝阶段都被blocking，而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回，只是在拷贝阶段blocking。

synchronous IO和asynchronous IO：

首先看定义：（简单来说：同步I/O：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；异步I/O: 不导致请求进程阻塞。）

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operationcompletes; An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都属于synchronous IO。

有人可能会说，non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方，定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作，就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候，如果kernel的数据没有准备好，这时候不会block进程。但是，当kernel中数据准备好的时候，recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中，这个时候进程是被block了，在这段时间内，进程是被block的。而asynchronous IO则不一样，当进程发起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel发送一个信号，告诉进程说IO完成。在这整个过程中，进程完全没有被block。

通俗的例子：

3个人排队去买包子，甲买肉馅馒头，乙买素馅馒头，丙买白馒头。

如果是阻塞式I/O模型，按照先后到来顺序处理甲乙丙，甲到来时候，店铺老板说我在做啊，你就在这等着我做完，哪里也不要去，肉馅馒头做好后给甲，甲可以走了，接着处理乙，乙处理完，再处理丙。

如果是非阻塞式I/O模型，假设还是甲乙丙顺序来，甲询问说我要肉馅馒头，老板说还没有做好，这时侯甲就离开搞其他的事情了，乙到了，询问说我要素馅馒头，老板说还没有做好，这时侯乙就离开搞其他的事情了，丙到了，询问说我要白馒头，老板说还没有做好，这时侯丙就离开搞其他的事情了。只不过甲乙丙还会时不时来询问我要的好了没有，假设白馒头非常好做，某个时刻老板做好了，正巧碰到丙又来询问，老板此刻说你的好了，此时丙哪里也不要去了，什么也不要做了，等着老板把白馒头返回给他。此后甲和乙时不时还来询问我要的好了没有。。可见这时候甲乙丙并不需要一直等待，可以做其他事情，同时并不一定是甲先来一定会被先处理。

如果是I/O复用模型，假设还是甲乙丙顺序来，然后甲乙丙会把自己的需求告诉店小二，然后店小二负责去询问老板肉馅馒头，素馅馒头，白馒头做好了没有。如果在I/O复用模型中，socket没有non-blocking时候，甲乙丙不能走，其他事情也不能做，干等着。店小二通知说素馅馒头好了，这时候乙去见老板拿自己所需要的。我们看到这时候并不是按甲乙丙顺序处理的，虽然甲乙丙被店小二阻塞了，但给人感觉是“并发”，哪个先准备好，先处理哪个。

如果是异步I/O模型，假设还是甲乙丙顺序来，店老板立即给甲乙丙返回一个纸条“好的”，甲乙丙各自散去了，该干嘛就干嘛，这时候店老板做馒头，无论是先做好了甲还是乙丙，就通知他们并把相应的馒头交给他们。甲乙丙也不需要时不时的来询问，更不需要去等待啦。