IO - 同步，異步，阻塞，非阻塞
同步（synchronous） IO和異步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO ，我相信這幾個詞困擾過很多人，更痛苦的是，如果你查閱過文獻資料，你會發現不同的資料中的解釋是不一樣的，例如在wiki中，異步和非阻塞被當成了一個概念 。
出現這種情況的原因，我認為很大程度上是因為IO這個概念本身就很寬泛，它其實包含了好幾個層面。比如說，你可以把它看做是一個物理上的設備，也可以看做是 OS抽象出來的一個軟件，還可以看做是平時寫程序用的read(),write()函數，不同的層面對于這幾個詞的理解也是不一樣的。

先看一個較低的層次。如果從CPU的角度看，其實大部分的IO都是異步的：因為CPU啟動這個IO操作后，就去干其它的事情了，一直到產生一個中斷，告訴它IO完成了。
“Most physical I/O is asynchronous—the CPU starts the transfer and goes off to do something else until the interrupt arrives. User programs are much easier to write if the I/O operations are blocking—after a read system call the program is automatically suspended until the data are available in the buffer. It is up to the operating system to make operations that are actually interrupt-driven look blocking to the user programs.” （引自 Modern Operating Systems, 2ed）

不過，本文并不想探究那么底層的東東。作為程序員，更多的還是從應用層面來考慮。所以，以下重點介紹的是應用程序中能夠采用的四種IO機制。
（說明，下文中圖片引用自 http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/ ）

首先，從最常用到的，也是最容易理解的同步阻塞IO 說起。

在這個模型中，應用程序（application）為了執行這個read操作，會調用相應的一個system call，將系統控制權交給kernel，然后就進行等待（這其實就是被阻塞了）。kernel開始執行這個system call，執行完畢后會向應用程序返回響應，應用程序得到響應后，就不再阻塞，并進行后面的工作。
 

 
例如，“在調用 read 系統調用時，應用程序會阻塞并對內核進行上下文切換。然后會觸發讀操作，當響應返回時（從我們正在從中讀取的設備中返回），數據就被移動到用戶空間的緩沖區中。然后應用程序就會解除阻塞（read 調用返回）。”

 舉一個淺顯的例子，就好比你去一個銀行柜臺存錢。首先，你會將存錢的單子填好，然后交給柜員。這里，你就好比是application，單子就是調用的 system call，柜員就是kernel。提交好單子后，你就坐在柜臺前等，相當于開始進行等待。柜員辦好以后會給你一個回執，表示辦好了，這就是 response。然后你就可以拿著回執干其它的事了。注意，這個時候，如果你辦完之后馬上去查賬，存的錢已經打到你的賬戶上了。后面你會發現，這點很重要。

接下來談同步非阻塞IO 。
先看這個圖，

在linux下，應用程序可以通過設置文件描述符的屬性O_NONBLOCK，I/O操作可以立即返回，但是并不保證I/O操作成功。
也就是說，當應用程序設置了O_NONBLOCK之后，執行write操作，調用相應的system call，這個system call會從內核中立即返回。但是在這個返回的時間點，數據可能還沒有被真正的寫入到指定的地方。也就是說，kernel只是很快的返回了這個 system call（這樣，應用程序不會被這個IO操作blocking），但是這個system call具體要執行的事情（寫數據）可能并沒有完成。而對于應用程序，雖然這個IO操作很快就返回了，但是它并不知道這個IO操作是否真的成功了，如果想知道，需要應用程序主動地去問kernel。

這次不是去銀行存錢，而是去銀行匯款。同樣的，你也需要填寫匯款單然后交給柜員，柜員進行一些簡單的手續處理就能夠給你回執。但是，你拿到回執并不意味著錢已經打到了對方的賬上。事實上，一般匯款的周期大概是24個小時，如果你要以存錢的模式來匯款的話，意味著你需要在銀行等24個小時，這顯然是不現實的。所以，同步非阻塞IO在實際生活中也是有它的意義的。

再來談談異步阻塞IO 。
在linux中，常常通過select/poll來實現這種機制。

 
以圖為例，
和之前一樣，應用程序要執行read操作，因此調用一個system call，這個system call被傳遞給了kernel。但在應用程序這邊，它調用system call之后，并不等待kernel返回response，這一點是和前面兩種機制不一樣的地方。這也是為什么它被稱為異步的原因。但是為什么稱其為阻塞呢？這是因為雖然應用程序是一個異步的方式，但是select()函數會將應用程序阻塞住，一直等到這個system call有結果返回了，再通知應用程序。也就是說，“在這種模型中，配置的是非阻塞 I/O，然后使用阻塞 select 系統調用來確定一個 I/O 描述符何時有操作。”
所以，從IO操作的實際效果來看，異步阻塞IO和第一種同步阻塞IO是一樣的，應用程序都是一直等到IO操作成功之后（數據已經被寫入或者讀取），才開始進行下面的工作。異步阻塞IO的好處在于一個select函數可以為多個描述符提供通知，提高了并發性。

關于提高并發性這點，我們還以銀行為例說明。比如說一個銀行柜臺，現在有10個人想存錢。按照現在銀行的做法，一個個排隊。第一個人先填存款單，然后提交，然后柜員處理，然后給回執，成功后再輪到下一個人。大家應該都在銀行排過對，這樣的流程是很痛苦的。如果按照異步阻塞的機制，10個人都填好存款單，然后都提交給柜臺，提交完之后所有的10個人就在銀行大廳等待。這時候會專門有個人，他會了解存款單處理的情況，一旦有存款單處理完畢，他會將回執交給相應的正在大廳等待的人，這個拿到回執的人就可以去干其他的事情了。而前面提到的這個專人，就對應于select函數。

最后，談談異步非阻塞IO 。
這個概念相對前面兩個反而更容易理解一些。

 
如圖所示，應用程序提交read請求的system call，然后，kernel開始處理相應的IO操作，而同時，應用程序并不等kernel返回響應，就會開始執行其他的處理操作（應用程序沒有被IO操作所阻塞）。當kernel執行完畢，返回read的響應，就會產生一個信號或執行一個基于線程的回調函數來完成這次 I/O 處理過程。

比如銀行存錢。現在某銀行新開通了一項存錢業務。用戶之需要將存款單交給柜臺，然后無需等待就可以離開了。柜臺辦好以后會給用戶發送一條短信，告知交易成功。這樣用戶不需要在柜臺前進行長時間的等待，同時，也能夠得到確切的消息知道交易完成。

從前面的介紹中可以看出，所謂的同步和異步，在這里指的是application和kernel之間的交互方式。如果application不需要等待 kernel的回應，那么它就是異步的。如果application提交完IO請求后，需要等待“回執”，那么它就是同步的。
而阻塞和非阻塞，指的是application是否等待IO操作的完成。如果application必須等到IO操作實際完成以后再執行下面的操作，那么它是阻塞的。反之，如果不等待IO操作的完成就開始執行其它操作，那么它是非阻塞的。

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