IO模型：同步、异步、阻塞、非阻塞

前言：

在Linux的网络编程中，同步IO(synchronous IO)、异步IO(asynchronous IO)、阻塞IO(blocking IO)、非阻塞IO(non-blocking IO)究竟是什么？它们之间又有什么联系和区别？本文是我对这个问题的答案整理的笔记，参考《UNIX网络编程.卷1》

一、IO模型

在《UNIX网络编程.卷1》第6.2节介绍了五种IO模型，分别是：

阻塞式IO（blocking IO）
非阻塞式IO（non-blocking IO）
IO复用（IO multiplexing）
信号驱动式IO（signal driven IO）
异步IO（asynchronous IO）

通常一个 socket 上的读操作包含两个阶段：

等待数据准备好；
将数据从内核拷贝到进程中。

上述几种IO模型就是在这两个阶段上各有不同的情况。

1.1 阻塞式IO

默认情况下，Linux下的所有socket都是阻塞的。以 UDP 的recvfrom调用为例：

当进程调用recvfrom时，该函数直到①数据报到达且被复制到应用进程缓冲区；②或者发生错误(比如被信号中断)才返回。

所以，阻塞式IO的特点就是在I/O执行的两个阶段都被阻塞了——阻塞等待数据，阻塞拷贝数据。

1.2 非阻塞式IO

Linux下可以通过fcntl将 socket 设置为非阻塞模式。

当对一个非阻塞 socket 执行读操作时，如果内核中的数据还没有准备好，那么它并不会阻塞用户进程，而是立刻返回一个EWOULDBLOCK错误；如果内核中有数据准备好了，它会立即将数据拷贝到用户内存，并成功返回。

由于非阻塞I/O在没有数据时会立即返回，故用户进程通常需要循环调用recvfrom，不断地主动询问内核数据是否ready。

所以，非阻塞式IO的特点是在I/O执行的第一个阶段不会阻塞线程，但在第二阶段会阻塞。

1.3 IO复用

IO复用(IO multiplexing)，也称事件驱动IO(event-driven IO)，就是在单个线程里同时监控多个套接字，通过 select 或 poll 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。

可以看出，进程阻塞在select调用上，等待有套接字变为可读；当有套接字可读以后，调用recvfrom把数据报从内核复制到用户进程缓冲区，此时进程阻塞在IO执行的第二个阶段。

如上图整个用户进程其实是一直被阻塞的，但IO复用的优势在于可以等待多个描述符就绪。

所以，IO复用的特点是进行了两次系统调用，进程先是阻塞在 select/poll 上，再是阻塞在读操作的第二个阶段上。

1.4 信号驱动式IO

信号驱动式IO(signal-driven IO)，就是让内核在描述符就绪时发送SIGIO信号通知用户进程。

首先需要开启 socket 的信号驱动式IO功能，然后通过sigaction系统调用注册SIGIO信号处理函数 —— 该系统调用会立即返回。当数据准备好时，内核会为该进程产生一个SIGIO信号，这时就可以在信号处理函数中调用 recvfrom 读取数据了。

所以，信号驱动式IO的特点就是在等待数据ready期间进程不被阻塞，当收到信号通知时再阻塞并拷贝数据。

1.5 异步IO

异步IO(asynchronous IO)其实用得很少，在Linux 2.5 版本的内核中首次出现，在 2.6 版本的内核中才成为标准特性。

用户进程在发起aio_read操作后，该系统调用立即返回 —— 然后内核会自己等待数据ready，并自动将数据拷贝到用户内存。整个过程完成以后，内核会给用户进程发送一个信号，通知IO操作已完成。

异步IO与信号驱动式IO的主要区别是：信号驱动式IO是由内核通知我们何时启动一个IO操作，而异步IO是由内核通知我们IO操作何时完成。

所以，异步IO的特点是IO执行的两个阶段都由内核去完成，用户进程无需干预，也不会被阻塞。

1.6 五种IO模型的比较

可以看出，前4种模型的主要区别在于第一阶段，因为它们的第二阶段是一样的：都是阻塞于recvfrom调用，将数据从内核拷贝到用户进程缓冲区。

二、阻塞vs非阻塞，同步vs异步

回到本文开头的那个问题：同步IO、异步IO、阻塞IO、非阻塞IO究竟是什么？它们之间又有什么联系和区别？

阻塞IO vs 非阻塞IO

上面介绍阻塞式IO模型、非阻塞式IO模型时已经说明了两者的区别：

阻塞I/O会一直阻塞用户进程直到操作完成
非阻塞I/O在内核的数据还没准备好的情况下会立即返回

同步IO vs 异步IO

POSIX是这样定义的：

A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes. —— 同步IO操作导致进程阻塞，直到IO操作完成。
An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked. —— 异步IO操作不导致进程阻塞。

上面定义中的I/O operation是指真正的I/O系统调用，比如recvfrom，所以阻塞式I/O模型、非阻塞式I/O模型、I/O复用模型、信号驱动式I/O模型都属于同步I/O。—— 只有异步I/O模型属于POSIX定义的异步I/O，因为在异步I/O模型中，用户进程是将整个I/O操作都交给内核来完成，内核完成后发信号通知，在此期间用户进程完全不用去理会。