IO - 同步 异步 阻塞 非阻塞的区别，学习Swoole有帮助

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？本文较长需耐心阅读，基础较差的可多读几遍，这对你学习swoole非常有帮助！

这个问题其实不同的人给出的答案都可能不同，比如wiki，就认为asynchronous io和non-blocking io是一个东西。这其实是因为不同的人的知识背景不同，并且在讨论这个问题的时候上下文(context)也不相同。所以，为了更好的回答这个问题，我先限定一下本文的上下文。

 

本文讨论的背景是linux环境下的network io。

本文最重要的参考文献是richard stevens的“unix® network programming volume 1, third edition: the sockets networking ”，6.2节“i/o models ”，stevens在这节中详细说明了各种io的特点和区别，如果英文够好的话，推荐直接阅读。stevens的文风是有名的深入浅出，所以不用担心看不懂。本文中的流程图也是截取自参考文献。

　　stevens在文章中一共比较了五种io model：

　　blocking io
　　nonblocking io
　　io multiplexing
　　signal driven io
　　asynchronous io

由于signal driven io在实际中并不常用，所以我这只提及剩下的四种io model。再说一下io发生时涉及的对象和步骤。

对于一个network io (这里我们以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)

　　记住这两点很重要，因为这些io model的区别就是在两个阶段上各有不同的情况。

blocking io

在linux中，默认情况下所有的socket都是blocking，一个典型的读操作流程大概是这样：

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。

而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。当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。

 

non-blocking io

linux下，可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时，流程是这个样子：

从图中可以看出，当用户进程发出read操作时，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，用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

 

io multiplexing

io multiplexing这个词可能有点陌生，但是如果我说select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也称这种io方式为event driven io。我们都知道，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。它的流程如图：

当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，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。

这个图和blocking io的图其实并没有太大的不同，事实上，还更差一些。因为这里需要使用两个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，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。

asynchronous i/o

linux下的asynchronous io其实用得很少。先看一下它的流程：

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。

 

到目前为止，已经将四个io model都介绍完了。现在回过头来回答最初的那几个问题：blocking和non-blocking的区别在哪，synchronous io和asynchronous io的区别在哪。

先回答最简单的这个：blocking vs non-blocking。前面的介绍中其实已经很明确的说明了这两者的区别。调用blocking io会一直block住对应的进程直到操作完成，而non-blocking io在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

　　在说明synchronous io和asynchronous io的区别之前，需要先给出两者的定义。stevens给出的定义（其实是posix的定义）是这样子的：

　　a synchronous i/o operation causes the requesting process to be blocked until that i/o operation completes;

　　an asynchronous i/o operation does not cause the requesting process to be blocked;

 

两者的区别就在于synchronous io做”io operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义，之前所述的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。

各个io model的比较如图所示：

 

经过上面的介绍，会发现non-blocking io和asynchronous io的区别还是很明显的。在non-blocking io中，虽然进程大部分时间都不会被block，但是它仍然要求进程去主动的check，并且当数据准备完成以后，也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。

而asynchronous io则完全不同。它就像是用户进程将整个io操作交给了他人（kernel）完成，然后他人做完后发信号通知。在此期间，用户进程不需要去检查io操作的状态，也不需要主动的去拷贝数据。

最后，再举几个不是很恰当的例子来说明这四个io model:

　　有 a，b，c，d 四个人在钓鱼：

　　a 用的是最老式的鱼竿，所以呢，得一直守着，等到鱼上钩了再拉杆；

　　b 的鱼竿有个功能，能够显示是否有鱼上钩，所以呢，b就和旁边的mm聊天，隔会再看看有没有鱼上钩，有的话就迅速拉杆；

　　c 用的鱼竿和b差不多，但他想了一个好办法，就是同时放好几根鱼竿，然后守在旁边，一旦有显示说鱼上钩了，它就将对应的鱼竿拉起来；

　　d 是个有钱人，干脆雇了一个人帮他钓鱼，一旦那个人把鱼钓上来了，就给d发个短信。