當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己最受歡迎的一篇blog其實(shí)大錯(cuò)特錯(cuò)時(shí)，這絕對(duì)不是一件讓人愉悅的事。
《 IO - 同步，異步，阻塞，非阻塞》是我在開(kāi)始學(xué)習(xí)epoll和libevent的時(shí)候?qū)懙?，主要的思路?lái)自于文中的那篇link。寫(xiě)完之后發(fā)現(xiàn)很多人都很喜歡，我還是非常開(kāi)心的，也說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題確實(shí)困擾了很多人。隨著學(xué)習(xí)的深入，漸漸的感覺(jué)原來(lái)的理解有些偏差，但是還是沒(méi)引起自己的重視，覺(jué)著都是一些小錯(cuò)誤，無(wú)傷大雅。直到有位博友問(wèn)了一個(gè)問(wèn)題，我重新查閱了一些更權(quán)威的資料，才發(fā)現(xiàn)原來(lái)的文章中有很大的理論錯(cuò)誤。我不知道有多少人已經(jīng)看過(guò)這篇blog并受到了我的誤導(dǎo)，鄙人在此表示抱歉。俺以后寫(xiě)技術(shù)blog會(huì)更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?br /> 一度想把原文刪了，最后還是沒(méi)舍得。畢竟每篇blog都花費(fèi)了不少心血，另外放在那里也可以引以為戒。所以這里新補(bǔ)一篇。算是亡羊補(bǔ)牢吧。

言歸正傳。
同步（synchronous） IO和異步（asynchronous） IO，阻塞（blocking） IO和非阻塞（non-blocking）IO分別是什么，到底有什么區(qū)別？這個(gè)問(wèn)題其實(shí)不同的人給出的答案都可能不同，比如wiki，就認(rèn)為asynchronous IO和non-blocking IO是一個(gè)東西。這其實(shí)是因?yàn)椴煌娜说闹R(shí)背景不同，并且在討論這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候上下文(context)也不相同。所以，為了更好的回答這個(gè)問(wèn)題，我先限定一下本文的上下文。
本文討論的背景是Linux環(huán)境下的network IO。
本文最重要的參考文獻(xiàn)是Richard Stevens的“UNIX? Network Programming Volume 1, Third Edition: The Sockets Networking”，6.2節(jié)“I/O Models”，Stevens在這節(jié)中詳細(xì)說(shuō)明了各種IO的特點(diǎn)和區(qū)別，如果英文夠好的話，推薦直接閱讀。Stevens的文風(fēng)是有名的深入淺出，所以不用擔(dān)心看不懂。本文中的流程圖也是截取自參考文獻(xiàn)。

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Stevens在文章中一共比較了五種IO Model：
??? blocking IO
??? nonblocking IO
??? IO multiplexing
??? signal driven IO
??? asynchronous IO
由于signal driven IO在實(shí)際中并不常用，所以我這只提及剩下的四種IO Model。

再說(shuō)一下IO發(fā)生時(shí)涉及的對(duì)象和步驟。
對(duì)于一個(gè)network IO (這里我們以read舉例)，它會(huì)涉及到兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)象，一個(gè)是調(diào)用這個(gè)IO的process (or thread)，另一個(gè)就是系統(tǒng)內(nèi)核(kernel)。當(dāng)一個(gè)read操作發(fā)生時(shí)，它會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)階段：
?1 等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 (Waiting for the data to be ready)
?2 將數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程中 (Copying the data from the kernel to the process)
記住這兩點(diǎn)很重要，因?yàn)檫@些IO Model的區(qū)別就是在兩個(gè)階段上各有不同的情況。

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blocking IO
在linux中，默認(rèn)情況下所有的socket都是blocking，一個(gè)典型的讀操作流程大概是這樣：

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了recvfrom這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，kernel就開(kāi)始了IO的第一個(gè)階段：準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。對(duì)于network io來(lái)說(shuō)，很多時(shí)候數(shù)據(jù)在一開(kāi)始還沒(méi)有到達(dá)（比如，還沒(méi)有收到一個(gè)完整的UDP包），這個(gè)時(shí)候kernel就要等待足夠的數(shù)據(jù)到來(lái)。而在用戶進(jìn)程這邊，整個(gè)進(jìn)程會(huì)被阻塞。當(dāng)kernel一直等到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，它就會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel中拷貝到用戶內(nèi)存，然后kernel返回結(jié)果，用戶進(jìn)程才解除block的狀態(tài)，重新運(yùn)行起來(lái)。
所以，blocking IO的特點(diǎn)就是在IO執(zhí)行的兩個(gè)階段都被block了。

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non-blocking IO

linux下，可以通過(guò)設(shè)置socket使其變?yōu)閚on-blocking。當(dāng)對(duì)一個(gè)non-blocking socket執(zhí)行讀操作時(shí)，流程是這個(gè)樣子：

從圖中可以看出，當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出read操作時(shí)，如果kernel中的數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，那么它并不會(huì)block用戶進(jìn)程，而是立刻返回一個(gè)error。從用戶進(jìn)程角度講 ，它發(fā)起一個(gè)read操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個(gè)結(jié)果。用戶進(jìn)程判斷結(jié)果是一個(gè)error時(shí)，它就知道數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，于是它可以再次發(fā)送read操作。一旦kernel中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，并且又再次收到了用戶進(jìn)程的system call，那么它馬上就將數(shù)據(jù)拷貝到了用戶內(nèi)存，然后返回。
所以，用戶進(jìn)程其實(shí)是需要不斷的主動(dòng)詢問(wèn)kernel數(shù)據(jù)好了沒(méi)有。

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IO multiplexing

IO multiplexing這個(gè)詞可能有點(diǎn)陌生，但是如果我說(shuō)select，epoll，大概就都能明白了。有些地方也稱這種IO方式為event driven IO。我們都知道，select/epoll的好處就在于單個(gè)process就可以同時(shí)處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的IO。它的基本原理就是select/epoll這個(gè)function會(huì)不斷的輪詢所負(fù)責(zé)的所有socket，當(dāng)某個(gè)socket有數(shù)據(jù)到達(dá)了，就通知用戶進(jìn)程。它的流程如圖：

當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用了select，那么整個(gè)進(jìn)程會(huì)被block，而同時(shí)，kernel會(huì)“監(jiān)視”所有select負(fù)責(zé)的socket，當(dāng)任何一個(gè)socket中的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好了，select就會(huì)返回。這個(gè)時(shí)候用戶進(jìn)程再調(diào)用read操作，將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶進(jìn)程。
這個(gè)圖和blocking IO的圖其實(shí)并沒(méi)有太大的不同，事實(shí)上，還更差一些。因?yàn)檫@里需要使用兩個(gè)system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調(diào)用了一個(gè)system call (recvfrom)。但是，用select的優(yōu)勢(shì)在于它可以同時(shí)處理多個(gè)connection。（多說(shuō)一句。所以，如果處理的連接數(shù)不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延遲還更大。select/epoll的優(yōu)勢(shì)并不是對(duì)于單個(gè)連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。）
在IO multiplexing Model中，實(shí)際中，對(duì)于每一個(gè)socket，一般都設(shè)置成為non-blocking，但是，如上圖所示，整個(gè)用戶的process其實(shí)是一直被block的。只不過(guò)process是被select這個(gè)函數(shù)block，而不是被socket IO給block。

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Asynchronous I/O

linux下的asynchronous IO其實(shí)用得很少。先看一下它的流程：

用戶進(jìn)程發(fā)起read操作之后，立刻就可以開(kāi)始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當(dāng)它受到一個(gè)asynchronous read之后，首先它會(huì)立刻返回，所以不會(huì)對(duì)用戶進(jìn)程產(chǎn)生任何block。然后，kernel會(huì)等待數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成，然后將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存，當(dāng)這一切都完成之后，kernel會(huì)給用戶進(jìn)程發(fā)送一個(gè)signal，告訴它read操作完成了。

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到目前為止，已經(jīng)將四個(gè)IO Model都介紹完了。現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)回答最初的那幾個(gè)問(wèn)題：blocking和non-blocking的區(qū)別在哪，synchronous IO和asynchronous IO的區(qū)別在哪。
先回答最簡(jiǎn)單的這個(gè)：blocking vs non-blocking。前面的介紹中其實(shí)已經(jīng)很明確的說(shuō)明了這兩者的區(qū)別。調(diào)用blocking IO會(huì)一直block住對(duì)應(yīng)的進(jìn)程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel還準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的情況下會(huì)立刻返回。

在說(shuō)明synchronous IO和asynchronous IO的區(qū)別之前，需要先給出兩者的定義。Stevens給出的定義（其實(shí)是POSIX的定義）是這樣子的：
??? 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;
兩者的區(qū)別就在于synchronous IO做”IO operation”的時(shí)候會(huì)將process阻塞。按照這個(gè)定義，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都屬于synchronous IO。有人可能會(huì)說(shuō)，non-blocking IO并沒(méi)有被block啊。這里有個(gè)非常“狡猾”的地方，定義中所指的”IO operation”是指真實(shí)的IO操作，就是例子中的recvfrom這個(gè)system call。non-blocking IO在執(zhí)行recvfrom這個(gè)system call的時(shí)候，如果kernel的數(shù)據(jù)沒(méi)有準(zhǔn)備好，這時(shí)候不會(huì)block進(jìn)程。但是，當(dāng)kernel中數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好的時(shí)候，recvfrom會(huì)將數(shù)據(jù)從kernel拷貝到用戶內(nèi)存中，這個(gè)時(shí)候進(jìn)程是被block了，在這段時(shí)間內(nèi)，進(jìn)程是被block的。而asynchronous IO則不一樣，當(dāng)進(jìn)程發(fā)起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel發(fā)送一個(gè)信號(hào)，告訴進(jìn)程說(shuō)IO完成。在這整個(gè)過(guò)程中，進(jìn)程完全沒(méi)有被block。

各個(gè)IO Model的比較如圖所示：

經(jīng)過(guò)上面的介紹，會(huì)發(fā)現(xiàn)non-blocking IO和asynchronous IO的區(qū)別還是很明顯的。在non-blocking IO中，雖然進(jìn)程大部分時(shí)間都不會(huì)被block，但是它仍然要求進(jìn)程去主動(dòng)的check，并且當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成以后，也需要進(jìn)程主動(dòng)的再次調(diào)用recvfrom來(lái)將數(shù)據(jù)拷貝到用戶內(nèi)存。而asynchronous IO則完全不同。它就像是用戶進(jìn)程將整個(gè)IO操作交給了他人（kernel）完成，然后他人做完后發(fā)信號(hào)通知。在此期間，用戶進(jìn)程不需要去檢查IO操作的狀態(tài)，也不需要主動(dòng)的去拷貝數(shù)據(jù)。

最后，再舉幾個(gè)不是很恰當(dāng)?shù)睦觼?lái)說(shuō)明這四個(gè)IO Model:
有A，B，C，D四個(gè)人在釣魚(yú)：
A用的是最老式的魚(yú)竿，所以呢，得一直守著，等到魚(yú)上鉤了再拉桿；
B的魚(yú)竿有個(gè)功能，能夠顯示是否有魚(yú)上鉤，所以呢，B就和旁邊的MM聊天，隔會(huì)再看看有沒(méi)有魚(yú)上鉤，有的話就迅速拉桿；
C用的魚(yú)竿和B差不多，但他想了一個(gè)好辦法，就是同時(shí)放好幾根魚(yú)竿，然后守在旁邊，一旦有顯示說(shuō)魚(yú)上鉤了，它就將對(duì)應(yīng)的魚(yú)竿拉起來(lái)；
D是個(gè)有錢人，干脆雇了一個(gè)人幫他釣魚(yú)，一旦那個(gè)人把魚(yú)釣上來(lái)了，就給D發(fā)個(gè)短信。

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