Calvin's Tech Space

這兩組概念常常讓人迷惑,因為它們都是涉及到IO處理,同時又有著一些相類似的地方.

首先來解釋同步和異步的概念,這兩個概念與消息的通知機制有關.

舉個例子,比如我去銀行辦理業務,可能選擇排隊等候,也可能取一個小紙條上面有我的號碼,等到排到我這一號時由柜臺的人通知我輪到我去辦理業務了.

前者(排隊等候)就是同步等待消息,而后者(等待別人通知)就是異步等待消息.在異步消息處理中,等待消息者(在這個例子中就是等待辦理業務的人)往往注冊一個回調機制,在所等待的事件被觸發時由觸發機制(在這里是柜臺的人)通過某種機制(在這里是寫在小紙條上的號碼)找到等待該事件的人.

而在實際的程序中,同步消息處理就好比簡單的read/write操作,它們需要等待這兩個操作成功才能返回;而異步處理機制就是類似于select/poll之類的多路復用IO操作,當所關注的消息被觸發時,由消息觸發機制通知觸發對消息的處理.

個人理解：

同步就是說我得自己去查詢我要等的條件滿足沒有，而異步就是說我不用自己去查詢，我要等的條件到來之后別人會通知我。

其次再來解釋一下阻塞和非阻塞,這兩個概念與程序等待消息(無所謂同步或者異步)時的狀態有關.

繼續上面的那個例子,不論是排隊還是使用號碼等待通知,如果在這個等待的過程中,等待者除了等待消息之外不能做其它的事情,那么該機制就是阻塞的,表現在程序中,也就是該程序一直阻塞在該函數調用處不能繼續往下執行.相反,有的人喜歡在銀行辦理這些業務的時候一邊打打電話發發短信一邊等待,這樣的狀態就是非阻塞的,因為他(等待者)沒有阻塞在這個消息通知上,而是一邊做自己的事情一邊等待.但是需要注意了,第一種同步非阻塞形式實際上是效率低下的,想象一下你一邊打著電話一邊還需要抬頭看到底隊伍排到你了沒有,如果把打電話和觀察排隊的位置看成是程序的兩個操作的話,這個程序需要在這兩種不同的行為之間來回的切換,效率可想而知是低下的;而后者,異步非阻塞形式卻沒有這樣的問題,因為打電話是你(等待者)的事情,而通知你則是柜臺(消息觸發機制)的事情,程序沒有在兩種不同的操作中來回切換.

很多人會把同步和阻塞混淆,我想是因為很多時候同步操作會以阻塞的形式表現出來,比如很多人會寫阻塞的read/write操作,但是別忘了可以對fd設置O_NONBLOCK標志位,這樣就可以將同步操作變成非阻塞的了;同樣的,很多人也會把異步和非阻塞混淆,因為異步操作一般都不會在真正的IO操作處被阻塞,比如如果用select函數,當select返回可讀時再去read一般都不會被阻塞,就好比當你的號碼排到時一般都是在你之前已經沒有人了,所以你再去柜臺辦理業務就不會被阻塞.

可見,同步/異步與阻塞/非阻塞是兩組不同的概念,它們可以共存組合,也可以參見這里:

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/

同步和異步:上面提到過,同步和異步僅僅是關于所關注的消息如何通知的機制,而不是處理消息的機制.也就是說,同步的情況下,是由處理消息者自己去等待消息是否被觸發,而異步的情況下是由觸發機制來通知處理消息者,所以在異步機制中,處理消息者和觸發機制之間就需要一個連接的橋梁,在我們舉的例子中這個橋梁就是小紙條上面的號碼,而在select/poll等IO多路復用機制中就是fd,當消息被觸發時,觸發機制通過fd找到處理該fd的處理函數.

請注意理解消息通知和處理消息這兩個概念,這是理解這個問題的關鍵所在.還是回到上面的例子,輪到你辦理業務這個就是你關注的消息,而去辦理業務就是對這個消息的處理,兩者是有區別的.而在真實的IO操作時,所關注的消息就是該fd是否可讀寫,而對消息的處理就是對這個fd進行讀寫.同步/異步僅僅關注的是如何通知消息,它們對如何處理消息并不關心,好比說,銀行的人僅僅通知你輪到你辦理業務了,而如何辦理業務他們是不知道的.

而很多人之所以把同步和阻塞混淆,我想也是因為沒有區分這兩個概念,比如阻塞的read/write操作中,其實是把消息通知和處理消息結合在了一起,在這里所關注的消息就是fd是否可讀/寫,而處理消息則是對fd讀/寫.當我們將這個fd設置為非阻塞的時候,read/write操作就不會在等待消息通知這里阻塞,如果fd不可讀/寫則操作立即返回.

很多人又會問了,異步操作不會是阻塞的吧?已經通知了有消息可以處理了就一定不是阻塞的了吧?

其實異步操作是可以被阻塞住的,只不過通常不是在處理消息時阻塞,而是在等待消息被觸發時被阻塞.比如select函數,假如傳入的最后一個timeout參數為NULL,那么如果所關注的事件沒有一個被觸發,程序就會一直阻塞在這個select調用處.而如果使用異步非阻塞的情況,比如aio_*組的操作,當我發起一個aio_read操作時,函數會馬上返回不會被阻塞,當所關注的事件被觸發時會調用之前注冊的回調函數進行處理,具體可以參見我上面的連接給出的那篇文章.回到上面的例子中,如果在銀行等待辦理業務的人采用的是異步的方式去等待消息被觸發,也就是領了一張小紙條,假如在這段時間里他不能離開銀行做其它的事情,那么很顯然,這個人被阻塞在了這個等待的操作上面;但是呢,這個人突然發覺自己煙癮犯了,需要出去抽根煙,于是他告訴大堂經理說,排到我這個號碼的時候麻煩到外面通知我一下(注冊一個回調函數),那么他就沒有被阻塞在這個等待的操作上面,自然這個就是異步+非阻塞的方式了.

個人覺得：

同步： 你親自辦這件事。

異步： 交代要做的事情，然后忙其他的事情；別人(內核)會充當你的跑腿，在條件就緒后將這事辦成，然后通知你(callback)；

阻塞： 如果條件未就緒，你除了死等它就緒什么都不能干

非阻塞：如果條件未就緒，方法會立即返回，然后你可以去做別的事情。

以這種理解方式，阻塞/非阻塞只對同步操作有意義；異步I/O總是意味著進程不會因為I/O陷入睡眠。

將" select"歸類為異步+blocking不妥，select實際上完成的只是read/write的第一部分：等待條件就緒；唯一的改進是可以等待多個條件。"select + read/write"的調用形式容易產生"系統通知我條件就緒"的假象，可實際上你不過是在條件就緒的時候醒來，然后仍然親自動手完成了數據復制的操作。

依然使用銀行的隱喻：

柜臺R：只能取款

柜臺W：只能存款

read: 親自在柜臺R排隊(進程睡眠) + 取款

write: 親自在柜臺W排隊(進程睡眠) + 存款

select + read/write : 親自同時在R、W兩個柜臺排隊(進程睡眠) + (存款|取款|存款+取款)

AIO : 告訴心腹小弟要取款若干，然后忙別的事情；小弟取款完畢將其如數奉上。

UNP一書中6.2節對I/O模型的分類我覺得很合理：

1).read/write、read + NON_BLOCK、select、signal driven I/O 都屬于同步I/O; 它們的共同特點是：將數據從內核空間復制到到用戶空間的這個操作，是由用戶空間的代碼顯式發起的。

2).只有AIO 屬于 異步I/O；內核不露聲色的將數據從內核空間復制到用戶空間，然后通知進程。

IO復用select/epoll那個應該不算異步，異步(AIO)是指read/write完成后操作系統會回調用戶空間的指定回調方法，而select/epoll只是一個有事件就緒的通知，沒有這個回調過程，需要你自己主動調用read/write。