Linux搭建Web服务器（一）——阻塞与非阻塞、同步与异步、Linux五种IO模型

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0x01 阻塞与非阻塞、同步与异步

阻塞与非阻塞

同步与异步

总结

0x02 Unix、Linux上的五种IO模型

阻塞（blocking）

非阻塞（non-blocking——NIO）

IO复用（IO multiplexing）

信号驱动（signal-driven）

异步（asynchronous）

0x01 阻塞与非阻塞、同步与异步

为了理清楚这几个概念，我们可以从数据就绪以及数据读写层面来看待这个问题。

阻塞与非阻塞

在数据就绪层面，需要考虑阻塞与非阻塞的问题。比如我们需要在操作系统中调用一个网络层的recv函数，这个函数可以设置为阻塞以及非阻塞，阻塞顾名思义是我们需要等待这个消息的传入到TCP数据缓冲区，否则我们将一直把这个线程挂起。如果设置为非阻塞，那么我们不管数据是否已经读取到，我们都会不断的去读取这个TCP缓冲区是否有数据到达，这个时候程序一直处于不断地去判断这个函数的返回值的状态中，这个时候一直在消耗着CPU的资源：

ssize_t recv(int sockfd,void *buf,size_t len,int flags);
int size = recv(sockfd,buf,1024,0);

对于recv函数，这两种状态不一样在于其返回值的判断：如果这个时候出现了出错的状态，也就是变量size出现-1值得时候，这个时候我们需要去判断出现这个-1的情况所对应的类型，通过数据手册说明可以得到这个状态有如下：EINTR、EAGAIN、EWOULDBLOCK，对于非阻塞的情况，它会是处于一个EAGAIN的状况，对于阻塞的情况，则是EINTTR，一个会让线程继续接收消息，一个则会让线程直接退出状态。（这个处理会在后面的讲解中细说）

那么我们现在就可以很清楚的总结出阻塞与非阻塞的区别：

阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知(无所谓同步或者异步)时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。
阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果（消息，返回值）时的状态。
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞调用指在不能立刻得到结果之前，不会改变线程的状态，可以通过返回值判断当前是否有数据可以进行读写。

同步与异步

所谓同步，就是发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回或继续执行后续操作。
异步与同步相对，当一个异步过程调用发出后，调用者在没有得到结果之前，就可以继续执行后续操作。

举个例子，在我们应用程序中，我们现在需要读取TCP缓冲区中的数据，这个时候我们需要自己调用一些接口去自行读取数据（具体实现取决于底层），当这些数据还未读取完时，我们不可以去进行下一步操作，这个过程我们称之为同步，这个时候数据的处理一直是应用程序在处理的。那么对于异步，这个时候我们设置一个异步接口，传入了我们需要读取的文件描述符、数据存储地址、通知方式（如signal信号等），之后我们就可以继续执行我们的程序了，直到有通知出现，我们才去取数据，这种无需我们自行等待数据的方式我们可以称之为异步，在数据处理的时候消耗的并非应用程序的时间，在异步的处理中，应用程序可以自己处理自己的事情。异步IO诸如：aio_read()/aio_write()（Linux异步IO接口）。

总结

在处理IO的时候，阻塞和非阻塞都是同步IO，只有使用了特殊的API才是异步IO。注意：IO多路复用技术都是同步。

一个典型的网络IO接口调用，分为两个阶段，分别是“数据就绪”和“数据读写”，数据就绪分为阻塞和非阻塞，表现的到的结果就是阻塞当前线程或直接返回。

同步表示A向B请求调用一个网络的IO接口时（或者调用某个业务逻辑API接口时），数据的读写都是由请求方A自己来完成的（不管是阻塞还是非阻塞）；异步表示A向B请求调用一个网络接口时（或者调用某个业务逻辑API接口时），向B传入请求事件以及事件发生时通知的方式，A就可以处理其他逻辑了，当B监听到事件处理完成后，会用事先约定好的通知方式，通知A处理结果。

0x02 Unix、Linux上的五种IO模型

阻塞（blocking）

调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么也不做，不停的去检查这个函数有没有返回，必须等这个函数返回才能进行下一步动作。

比如函数read、recv，这与文件描述符有关，直接可以去文件描述符中设置其阻塞或者非阻塞。这也是个同步IO的接口。以上这种方式只能一次检测一个事件，相当于是单线程。

非阻塞（non-blocking——NIO）

非阻塞等待，每隔一段时间就去检测IO事件是否就绪。没有就绪就可以做其他事。非阻塞I/O执行系统调用总是立即返回，不管事件是否已经发生，若事件没有发生，则返回-1，此时可以根据 errno 区分这两种情况，对于accept，recv 和 send，事件未发生时，errno 通常被设置成 EAGAIN/EWOULDBLOCK。

这也是一个同步的IO，数据处理等待还是在用户态。以上这种方式只能一次检测一个事件，相当于是单线程。

IO复用（IO multiplexing）

Linux 用 select/poll/epoll 函数实现 IO 复用模型，这些函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是这些函数可以同时阻塞多个IO操作。而且可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检测。直到有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。

这种类似于多进程多线程的处理。但是也是同步的机制。

信号驱动（signal-driven）

Linux 用套接口进行信号驱动 IO，安装一个信号处理函数，进程继续运行并不阻塞，当IO事件就绪，进程收到SIGIO 信号，然后处理 IO 事件。

内核在第一个阶段是异步，在第二个阶段是同步，因为这个时候的数据拷贝还是在用户空间进行的；与非阻塞IO的区别在于它提供了消息通知机制，不需要用户进程不断的轮询检查，减少了系统API的调用次数，提高了效率。

异步（asynchronous）

Linux中，可以调用 aio_read 函数告诉内核描述字缓冲区指针和缓冲区的大小、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。

内核自动把数据传到用户空间所规定的存储空间中，无需用户自行拷贝数据。使用如下结构体进行设置：

/* Asynchronous I/O control block. */
struct aiocb
{int aio_fildes; /* File desriptor. */int aio_lio_opcode; /* Operation to be performed. */int aio_reqprio; /* Request priority offset. */volatile void *aio_buf; /* Location of buffer. */size_t aio_nbytes; /* Length of transfer. */struct sigevent aio_sigevent; /* Signal number and value. *//* Internal members. */struct aiocb *__next_prio;int __abs_prio;int __policy;int __error_code;__ssize_t __return_value;
#ifndef __USE_FILE_OFFSET64__off_t aio_offset; /* File offset. */char __pad[sizeof (__off64_t) - sizeof (__off_t)];
#else__off64_t aio_offset; /* File offset. */
#endifchar __glibc_reserved[32];
}

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