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同步與異步IO、阻塞與非阻塞IO

作者:龔平   來源:本站原創(chuàng)   點擊數(shù):  更新時間:2014年03月14日   【字體:

很多時候我們常常看到同步與異步,阻塞與非阻塞的出現(xiàn)。有的地方直接將同步與阻塞畫上了等號。異步與非阻塞畫上了等號。事實上這是不對的。同步不等于阻塞,而異步也不等于非阻塞。下面就來仔細(xì)的看看同步與異步、阻塞與非阻塞的概念差別,及他們的組合應(yīng)用。
同步:所謂同步,就是在發(fā)出一個功能調(diào)用時,在沒有得到結(jié)果之前,該調(diào)用就不返回。按照這個定義,其實絕大多數(shù)函數(shù)都是同步調(diào)用(例如sin, isdigit等)。但是一般而言,我們在說同步、異步的時候,特指那些需要其他部件協(xié)作或者需要一定時間完成的任務(wù)。最常見的例子就是 SendMessage。該函數(shù)發(fā)送一個消息給某個窗口,在對方處理完消息之前,這個函數(shù)不返回。當(dāng)對方處理完畢以后,該函數(shù)才把消息處理函數(shù)所返回的 LRESULT值返回給調(diào)用者
異步:異步的概念和同步相對。當(dāng)一個異步過程調(diào)用發(fā)出后,調(diào)用者不能立刻得到結(jié)果。實際處理這個調(diào)用的部件在完成后,通過狀態(tài)、通知和回調(diào)來通知調(diào)用者。以 CAsycSocket類為例(注意,CSocket從CAsyncSocket派生,但是起功能已經(jīng)由異步轉(zhuǎn)化為同步),當(dāng)一個客戶端通過調(diào)用 Connect函數(shù)發(fā)出一個連接請求后,調(diào)用者線程立刻可以朝下運(yùn)行。當(dāng)連接真正建立起來以后,socket底層會發(fā)送一個消息通知該對象。
這里 \提到執(zhí)行部件和調(diào)用者通過三種途徑返回結(jié)果:狀態(tài)、通知和回調(diào)。可以使用哪一種依賴于執(zhí)行部件的實現(xiàn),除非執(zhí)行部件提供多種選擇,否則不受調(diào)用者控制。如果執(zhí)行部件用狀態(tài)來通知,那么調(diào)用者就需要每隔一定時間檢查一次,效率就很低(有些初學(xué)多線程編程的人,總喜歡用一個循環(huán)去檢查某個變量的值,這其實是一 種很嚴(yán)重的錯誤)。如果是使用通知的方式,效率則很高,因為執(zhí)行部件幾乎不需要做額外的操作。至于回調(diào)函數(shù),其實和通知沒太多區(qū)別

阻塞:阻塞調(diào)用是指調(diào)用結(jié)果返回之前,當(dāng)前線程會被掛起。函數(shù)只有在 得到結(jié)果之后才會返回。
有人也許會把阻塞調(diào)用和同步調(diào)用等同起來,實際上他是不同的。對于同步調(diào)用來說,很多時候當(dāng)前線程還是激活的,只是從邏輯上當(dāng)前函數(shù)沒有返回而已。例如,我們在 CSocket中調(diào)用Receive函數(shù),如果緩沖區(qū)中沒有數(shù)據(jù),這個函數(shù)就會一直等待,直到有數(shù)據(jù)才返回。而此時,當(dāng)前線程還會繼續(xù)處理各種各樣的消息。如果主窗口和調(diào)用函數(shù)在同一個線程中,除非你在特殊的界面操作函數(shù)中調(diào)用,其實主界面還是應(yīng)該可以刷新。
socket接收數(shù)據(jù)的另外一個函數(shù) recv則是一個阻塞調(diào)用的例子。當(dāng)socket工作在阻塞模式的時候,如果沒有數(shù)據(jù)的情況下調(diào)用該函數(shù),則當(dāng)前線程就會被掛起,直到有數(shù)據(jù)為止。
非阻塞:非阻塞和阻塞的概念相對應(yīng),指在不能立刻得到結(jié)果之前,該函數(shù)不會阻塞當(dāng)前線程,而會立刻返回。

上面這些概念都是教科書的概念,下面談?wù)剛人的理解。所謂同步就是當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)起一個函數(shù)(任務(wù))調(diào)用的時候,一直會到函數(shù)(任務(wù))完成。進(jìn)程繼續(xù)往下執(zhí)行。而異步這不會這樣,異步情況下是當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)起一個函數(shù)(任務(wù))調(diào)用的時候,不會等函數(shù)返回,而是繼續(xù)往下執(zhí)行當(dāng),函數(shù)返回的時候通過狀態(tài)、通知、事件。等方式通知進(jìn)程任務(wù)完成。
而阻塞和非阻塞的概念相對明了多了。阻塞是當(dāng)請求不能滿足的時候就試進(jìn)程掛起,非阻塞則是直接返回。
它們的組合:(網(wǎng)絡(luò)裝載)
圖 2 給出了傳統(tǒng)的阻塞 I/O 模型,這也是目前應(yīng)用程序中最為常用的一種模型。其行為非常容易理解,其用法對于典型的應(yīng)用程序來說都非常有效。在調(diào)用 read 系統(tǒng)調(diào)用時,應(yīng)用程序會阻塞并對內(nèi)核進(jìn)行上下文切換。然后會觸發(fā)讀操作,當(dāng)響應(yīng)返回時(從我們正 在從中讀取的設(shè)備中返回),數(shù)據(jù)就被移動到用戶空間的緩沖區(qū)中。然后應(yīng)用程序就會解除阻塞(read 調(diào)用返 回)。
圖 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程
從應(yīng)用程序的角度來說,read 調(diào)用會延續(xù)很長時間。實際上,在內(nèi)核執(zhí)行讀操作和其他工作時,應(yīng)用程序的確會被阻塞。
PS. 我理解這里的意思是,read請求是阻塞的,也沒有異步通知機(jī)制,因為應(yīng)用程序一直在這個過程中等待,即一直在主動查詢,所以是同步的。(順序)
同步非阻塞 I/O
同步阻塞 I/O 的一種效率稍低的變種是同步非阻塞 I/O。在這種模型中,設(shè)備是以非阻塞的形式打開的。這意味著 I/O 操作不會立即完成,read 操作可能會返回一個錯誤代碼,說明這個命令不能立即滿足(EAGAIN 或 EWOULDBLOCK),如圖 3 所示。
圖 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
 

 
非阻塞的實現(xiàn)是 I/O 命令可能并不會立即滿足,需要應(yīng)用程序調(diào)用許多次來等待操作完成。這可能效率不高,因為在很多情況下,當(dāng)內(nèi)核執(zhí)行這個命令時,應(yīng)用程序必須要進(jìn)行忙碌等待,直到數(shù)據(jù)可用為止,或者試圖執(zhí)行其他工作。正如圖 3 所示的一樣,這個方法可以引入 I/O 操作的延時,因為數(shù)據(jù)在內(nèi)核中變?yōu)榭捎玫接脩粽{(diào)用 read 返回數(shù)據(jù)之間存在一定的間隔,這會導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)吞吐量的降低。
PS. 我理解這里的意思是,read請求是非阻塞的,但是這里沒有異步通知機(jī)制,而需要應(yīng)用程序主動查詢,所以是同步的。(多次試探)
異步阻塞 I/O
另外一個阻塞解決方案是帶有阻塞通知的非阻塞 I/O。在這種模型中,配置的是非阻塞 I/O,然后使用阻塞 select 系統(tǒng)調(diào)用來確定一個 I/O 描述符何時有操作。使 select 調(diào)用非常有趣的是它可以用來為多個描述符提供通知,而不僅僅為一個描述符提供通知。對于每個提示符來說,我們可以請求這個描述符可以寫數(shù)據(jù)、有讀數(shù)據(jù)可用以及是否發(fā)生錯誤的通知。
圖 4. 異步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)

select 調(diào)用的主要問題是它的效率不是非常高。盡管這是異步通知使用的一種方便模型,但是對于高性能的 I/O 操作來說不建議使用。
PS. 我理解這里的意思是,read請求實際上是非阻塞的,但是在異步通知方式上,采用了阻塞的slect系統(tǒng)調(diào)用,導(dǎo)致應(yīng)用程序被阻塞,所以雖然異步,但任然阻 塞。(等待通知,自己完成)
異步非阻塞 I/O(AIO)
最后,異步非阻塞 I/O 模型是一種處理與 I/O 重疊進(jìn)行的模型。讀請求會立即返回,說明 read 請求已經(jīng)成功發(fā)起了。在后臺完成讀操作時,應(yīng)用程序然后會執(zhí)行其他處理操作。當(dāng) read 的響應(yīng)到達(dá)時,就會產(chǎn)生一個信號或執(zhí) 行一個基于線程的回調(diào)函數(shù)來完成這次 I/O 處理過程。
圖 5. 異步非阻塞 I/O 模型的典型流程

 
在一個進(jìn)程中為了執(zhí)行多個 I/O 請求而對計算操作和 I/O 處理進(jìn)行重疊處理的能力利用了處理速度與 I/O 速度之間的差異。當(dāng)一個或多個 I/O 請求掛起時,CPU 可以執(zhí)行其他任務(wù);或者更為常見的是,在發(fā)起其他 I/O 的同時對已經(jīng)完成的 I/O 進(jìn)行操作。
PS. 我理解這里的意思是,read請求實際上是非阻塞的,但是在異步通知方式上,采用了回調(diào)函數(shù),無需應(yīng)用程序再去處理。(委托完成)
異步 I/O 的動機(jī)
從前面 I/O 模型的分類中,我們可以看出 AIO 的動機(jī)。阻塞模型要求在 I/O 操作開始時阻塞應(yīng)用程序,這意味著不可能同時重疊進(jìn)行處理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允許處理和 I/O 操作重疊進(jìn)行,但是這需要應(yīng)用程序根據(jù)重現(xiàn)的規(guī)則來檢查 I/O 操作的狀態(tài)。這樣就剩下異步非阻塞 I/O 了,它允許處理和 I/O 操作重疊進(jìn)行,包括 I/O 操作完成的通知。

 

 
這里我要特別強(qiáng)調(diào)一下異步IO和非阻塞IO的區(qū)別,異步IO就是把IO提交給系統(tǒng),讓系統(tǒng)替你做,做完了再用某種方式通知你;非阻塞IO就是你要通過某種方式不定時地向系統(tǒng)詢問你是否可以開始做某個IO,當(dāng)可以開始后,還是要自己來完成IO
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