同步、异步、阻塞及非阻塞

我是小小强，这是我的第2篇原创文章，阅读需要大约15分钟。

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同步、异步、阻塞及非阻塞是开发中经常遇到的概念，有区别又有联系，极其容易混淆。在深入理解这些概念的时候，需要借助现实中的例子来辅助。

概念解释

• 同步
  在调用操作未完成前，调用者一直在等待这个结果，不得到结果不返回。
• 异步
  在调用后，调用者直接返回，不主动获取和等待调用结果。而是被调用者通过通知或者回调函数来通知调用者。
• 阻塞
  调用时，由于被调用者状态未就绪，导致调用线程被挂起。状态未就绪并不是指调用者运行缓慢，时间久。
• 非阻塞
  调用时，被调用者如果就绪则立即返回结果，如果未就绪也会返回一个错误值，告诉调用者当前的状态。调用者可根据错误值选择再次调用，还是执行异常处理。

区别

在上面的表述中，很容易发现同步和阻塞，异步和非阻塞是一个概念（也可能我表达能力差。哈哈）。实际上，同步异步、阻塞非阻塞分别是不同维度的概念：

同步异步侧重于描述调用者进行调用之后的行为（以io读写操作为例）:

1. 同步在调用后，会主动去获取调用结果，无论是以阻塞方式还是非阻塞轮询方式，调用者需要自己去调用send和recv读写数据。所以像select，epoll等都是同步方式。
2. 异步在调用后，就继续执行其它的工作，读取数据的工作由内核去操作，当数据已经就绪并拷贝到用户空间后，通过通知或者回调函数的形式通知调用者进行数据处理。像mina就是典型的异步模式。
   由此可见，同步异步的区别在于同步需要调用者读写数据，而异步不需要读写数据

阻塞和非阻塞侧重于描述被调用者在执行时所处于的状态：

1. 阻塞操作是被调用者由于数据未准备好，如内核发送缓冲区满或者接收缓冲区空等原因，导致send和recv接口无法返回，此时操作系统将读写线程挂起，让出时间片。
   注意：读写操作慢，并不是上文所说的阻塞情况。
2. 非阻塞操作正好相反，当数据未准备好时，会立即返回给调用者一个结果，如－1，同时设置errno，调用者根据errno判断是否要重新读取数据。

以下是网友举的例子:

老张爱喝茶，废话不说，煮开水。
出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）
老张觉得自己有点傻
2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）
老张还是觉得自己有点傻，于是变高端了，买了把会响笛的那种水壶。水开之后，能大声发出嘀~~~~的噪音。
3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）
老张觉得这样傻等意义不大
4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）
老张觉得自己聪明了。
所谓同步异步，只是对于水壶而言。
普通水壶，同步；响水壶，异步。
虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。
同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。
所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。
立等的老张，阻塞；看电视的老张，非阻塞。
情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。

常见的应用情况

在进行io操作时，阻塞和非阻塞都是同步的，只有一些特殊的api才是异步io。即使java的NIO也是同步操作，底层以select和epoll实现的。

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参考资料

https://www.zhihu.com/question/19732473

既然网络上众说纷纭，不如找个权威参考一下，这个权威就是《UNIX网络编程：卷一》**第六章——I/O复用。书中向我们提及了5种类UNIX下可用的I/O模型：

• 阻塞式I/O；
• 非阻塞式I/O；
• I/O复用（select，poll，epoll...）；
• 信号驱动式I/O（SIGIO）；
• 异步I/O（POSIX的aio_系列函数）；
  阻塞式I/O模型：默认情况下，所有套接字都是阻塞的。怎么理解？先理解这么个流程，一个输入操作通常包括两个不同阶段：
  （1）等待数据准备好；（2）从内核向进程复制数据。
  对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。 好，下面我们以阻塞套接字的recvfrom的的调用图来说明阻塞
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  标红的这部分过程就是阻塞，直到阻塞结束recvfrom才能返回。
  非阻塞式I/O： 以下这句话很重要：进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核，当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把进程投入睡眠，而是返回一个错误。看看非阻塞的套接字的recvfrom操作如何进行
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  可以看出recvfrom总是立即返回。
  I/O多路复用：虽然I/O多路复用的函数也是阻塞的，但是其与以上两种还是有不同的，I/O多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。如图
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  信号驱动式I/O：用的很少，就不做讲解了。直接上图
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  异步I/O：这类函数的工作机制是告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到用户空间）完成后通知我们。如图：
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  注意红线标记处说明在调用时就可以立马返回，等函数操作完成会通知我们。等等，大家一定要问了，同步这个概念你怎么没涉及啊？别急，您先看总结。 其实前四种I/O模型都是同步I/O操作，他们的区别在于第一阶段，而他们的第二阶段是一样的：在数据从内核复制到应用缓冲区期间（用户空间），进程阻塞于recvfrom调用。相反，异步I/O模型在这两个阶段都要处理。
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  再看POSIX对这两个术语的定义：
  同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；
  异步I/O操作：不导致请求进程阻塞。
  好，下面我用我的语言来总结一下阻塞，非阻塞，同步，异步
  阻塞，非阻塞：进程/线程要访问的数据是否就绪，进程/线程是否需要等待；
  同步，异步：访问数据的方式，同步需要主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞；异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写。