阻塞式I/0 和 非阻塞式I/O 同步异步详细介绍
请求描述:
当进程调用一个进行IO操作的API时(比如read函数),在数据没有到达前,read 会挂起,进程会卡住。在数据读取完毕返回给进程时,
非阻塞就是 read 在数据没有读取完毕前,就返回了(返回值为-1,errno 设置为 EAGAIN)。此时进程没有拿到需要的数据。那怎么办?
一种是同步:
因为进程没办法知道数据什么时候才真正读取完毕了,所以需要每隔一段时间就去轮询一下(就是重新调用 read,看是不是数据真的已经读取完毕了)。
一种是异步:
早期的异步实现方式是内核给进程发信号(SIGIO 或者 SIGPOLL)。数据读写完毕后,内核发信号给进程,然后进程内的信号处理函数再调用 read 读取数据(这时可以确保数据真的已经读取完毕了)。但这种方式有一个小小的瑕疵,就是在进程进行多个 fd 读写的时候,信号来的时候没办法分清到底是哪个 fd 上的数据已经真正准备好了。所以进程还是要对所有持有的 fd 进行 read 调用。
后来的异步实现,就有了更好的 select / poll / epoll(I/O multiplexing)。现在基本上像比较流行的 Nginx / Redis 都用 epoll(在 FreeBSD 上是 kqueue)
图解:
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
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
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
信号驱动式I/O:用的很少,就不做讲解了。直接上图
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:
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
例子说明:
- 从A的业务代码到A的软件框架
- 从A的软件框架到计算机的操作系统内核
- 从A所在计算机的内核到网卡
- 从网卡经过网线发到交换机等设备,层层转发,到达B所在计算机的网卡
- 从B所在计算机的网卡到B所在计算机的内核
- 从B所在计算机的内核到B的程序的用户空间
- 从B的软件框架到B的业务代码
例子二:
小乐爱喝茶,废话不说,煮开水。
出场人物:小乐,水壶两把(普通水壶,简称水壶;会响的水壶,简称响水壶)。
1 小乐把水壶放到火上,立等水开。(同步阻塞)
—— 小乐觉得自己有点傻
2 小乐把水壶放到火上,去客厅看电视,时不时去厨房看看水开没有。(同步非阻塞)
—— 小乐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,能大声发出呜呜~~~~的噪音。
3 小乐把响水壶放到火上,立等水开。(异步阻塞)
—— 小乐觉得这样傻等意义不大
4 小乐把响水壶放到火上,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)
—— 小乐觉得自己聪明了。
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,提示小乐水开了。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),造成小乐效率的低下。
所谓阻塞非阻塞,仅仅对于小乐而言。
—— 立等的小乐,阻塞;看电视的小乐,非阻塞。
情况1和情况3中小乐就是阻塞的,媳妇喊他都不知道。
虽然3中响水壶是异步的,可对于立等的小乐没有太大的意义。
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。
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