同步？阻塞？到底什么是I/O模型

今天来记录下计算机中一些常用的很容易让人搞混的术语：同步/异步 ，阻塞/非阻塞，周末特意花时间重温了下，希望对大家有帮助。

什么是同步？什么是阻塞？这些名词到底起源于哪里？

没有无源之水，一切计算机方案都是解决实际问题的，同步、阻塞起源于I/O模型，而I/O模型解决了什么问题？

I/O模型解决的是计算机CPU（中央处理器）与外设（网卡、磁盘、键盘、鼠标）的速度不匹配的问题。

所以为了解决CPU与外设的速度不匹配问题，造就了I/O模型，而I/O模型衍生出了下面的几种常用的I/O模型术语：

• 同步阻塞I/O

• 同步非阻塞I/O

• I/O多路复用（是同步非阻塞的变形与优化）

• 信号驱动I/O

• 异步I/O

由于CPU与外设运行速度的不匹配，CPU运行的快，而外设运行的慢。

假设从网卡中获取网络数据，就需要先将数据读取到内存中，然后CPU去处理内存中的数据。

假设现在运行的一个任务是：启动一个监听程序服务，监听机器上指定端口，然后不断从端口中解析数据，然后会不时地有很多client来连接这个服务，向服务发送一些指令操作，当监听服务监听到不同client发起的不同指令后，就会执行不同的任务，这其实就是一个典型的server/client的socket程序。

当一个client来连接服务端，发送数据后，其实数据会传送到网卡，服务端要接收到这个数据，需要经历下面的过程：

内核从网卡中read数据 -> 内核态数据准备好后，将数据read到用户空间 -> 程序拿到用户数据，这里需要说明的问题是一个进程启动后，进程使用的内存会分为两块，分别是内核态和用户态，内核态内存负责跟外设驱动进行交互，用户态内存负责跟用户程序进行交互，而服务端程序就是运行在用户态的，用户态的程序要获取网卡的数据，就需要内核的协助，需要两次copy，第一次是网卡把数据copy到内核态，第二次是内核把数据copy到用户态。

这时候会有一个另外的问题：CPU空闲的问题。CPU是不断在做指令计算的任务，而把网卡的数据读取到内存中这个过程是在做数据的传输，所以CPU是处于空闲状态的，所以如何高效利用CPU，让CPU全速奔跑就成为一个问题，CPU分配资源的单位是线程，问题也就变成了如何组织线程、管理线程，有效利用CPU，不让其空闲。

下面详细来介绍5种I/O模型：

• 同步阻塞I/O

传统的I/O模型，Socket读数据的过程是阻塞式的，当client请求过来后，client线程会一直阻塞在那边，一直等到内核态数据拷贝到用户态后，才唤醒client线程。唤醒client线程也是要付出代价的，一旦线程阻塞后，需要切换上下文，内核需要保存线程的状态、内存块和现场，再次唤醒线程，就要恢复线程的上下文，是一个耗费资源的操作。

• 同步非阻塞I/O

在传统I/O基础上衍生出了一个同步非阻塞的I/O，就是不断地去read，相当于设置了一个while循环，不断去判断是否已经读到了网卡的数据，在数据还没有从网卡到内核态时，每次read都是失败的，但是这时候线程并不阻塞，也不让出CPU，意味着线程其实在read的同时还是能做其他的事情的，但是一旦数据达到内核态后，再去调用read，这次调用是阻塞的，在等待内核态数据拷贝到用户态，所以线程会让出CPU，进入阻塞态，当数据拷贝完成后，再唤醒线程，相比于同步阻塞I/O的情况，同步非阻塞的I/O将线程阻塞的时间缩短了，将原本在网卡到内核态数据拷贝阶段的阻塞给剔除了，换成了不断read的循环操作。

• I/O多路复用（使同步非阻塞I/O的变形与优化）

在同步非阻塞I/O的基础上，将read操作拆分为两部分，分别是Select+read，原本是不管数据在网卡到内核阶段还是内核到用户态阶段，都用read来判断数据是否达到，所以这种情况下，如果有100个client端连接，就会有100个线程去不断执行read操作来判断、阻塞、读取数据，而拆分成两部分后，Select支持用一个线程来监听多个通道，来判断内核态数据是否已经就绪，一旦就绪后，再调用read操作，调用read操作后依旧是阻塞、读取数据。

相当于原本有100个线程去做内核态数据准备的判断，现在变成了一个Select线程去判断多个通道的内核态数据是否已经准备就绪，节省了资源，因为一个Select线程支持多通道的监听，所以称为多路复用，而后面的read操作在等待内核态数据拷贝到用户态这个阶段依旧是阻塞的。

• 信号驱动I/O

信号驱动I/O是在同步非阻塞的基础上进行改变，当发起read调用的时候注册一个回调函数，当内核数据准备好之后，内核触发回调函数，应用再次请求read，阻塞，等待内核数据copy到用户态后，再次唤醒应用线程，这个过程也成为半异步IO。

• 异步I/O

异步I/O解决上面同步I/O以及阻塞的全部问题，在read的同时调用一个回调函数，read可以直接返回，这样client线程就不会阻塞，继续往下执行，直到内核态把数据复制到用户态后，client线程就获取到了数据，然后对数据进行处理，所以client线程整个过程的执行都是异步的，内核会主动通知client线程，数据已经拷贝完成，过程中也没有任何阻塞态存在。

所以总结下来：

同步还是异步，取决于应用程序与内核通信时，是应用程序主动获取内核拷贝的数据，还是被动获取内核拷贝的数据；

阻塞和非阻塞，取决于应用程序调用I/O时，是等待还是立即返回。