同步,异步,阻塞与非阻塞

 

在进行网络编程时，我们常常见到同步、异步、阻塞和非阻塞四种调用方式。这些方式彼此概念并不好理解。下面是我对这些术语的理解。

1.同步

所谓同步，就是在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。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用（例如sin, isdigit 等）。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。最常见的例子就是 SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，这个函数不返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的 LRESULT值返回给调用者。

2.异步

异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。以 CAsycSocket类为例（注意，CSocket从CAsyncSocket派生，但是起功能已经由异步转化为同步），当一个客户端通过调用 Connect函数发出一个连接请求后，调用者线程立刻可以朝下运行。当连接真正建立起来以后，socket底层会发送一个消息通知该对象。这里提到执行部件和调用者通过三种途径返回结果：状态、通知和回调。可以使用哪一种依赖于执行部件的实现，除非执行部件提供多种选择，否则不受调用者控制。如果执行部件用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这其实是一种很严重的错误）。如果是使用通知的方式，效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别。

3.阻塞

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如，我们在CSocket中调用Receive函数，如果缓冲区中没有数据，这个函数就会一直等待，直到有数据才返回。而此时，当前线程还会继续处理各种各样的消息。如果主窗口和调用函数在同一个线程中，除非你在特殊的界面操作函数中调用，其实主界面还是应该可以刷新。socket接收数据的另外一个函数recv则是一个阻塞调用的例子。当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用该函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

4.非阻塞

非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

对象的阻塞模式和阻塞函数调用

对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但是并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用特殊的函数也可以进入阻塞调用。函数select就是这样的一个例子。

5.阻塞通信

通过重叠通信和计算在许多系统能提高性能。由一个智能通信控制器自动地执行通信的系统是真实的。轻－重线索是取得这种重叠的一种机制。导致好性能的一个可选的机制是使用非阻塞通信。一个阻塞发送开始调用初始化这个发送操作，但不完成它。在这个消息被从这个发送缓存拷出以前，这个发送开始调用将返回。需要一个独立的“发送完成”调用完成这个通信，例如，检验从发送缓存拷出的数据。用适当的硬件，在发送被初始化后和它完成以前，来自发送者存储的数据转换可以和在发送者完成的计算同时进行。

6.非阻塞通信:

类似地，一个非阻塞“接收开始调用”初始化这个接收操作, 但不完成它。在一个消息被存入这个接收缓存以前，这个调用将返回。须要一个独立的“接收完成”调用完成这个接收操作，并检验被接收到这个接收缓存的数据。用适当的硬件，在接收操作初始化后和它完成以前，到接收者存储的数据转换可以和计算同时进行。非阻塞接收的使用随着信息较早地在接收缓存位置被提供，也可以避免系统缓存和存储器到存储器拷贝。

非阻塞发送开始调用能使用与阻塞发送一样的四种模式: 标准, 缓存, 同步和准备好模式。这些具有同样的意义。无论一个匹配接收是否已登入，能开始除“准备好”以外的所有模式的发送；只要一个匹配接收已登入，就能开始一个非阻塞“准备好”发送。在所有情况下，发送开始调用是局部的：无论其它进程的状态如何，它立刻返回。如果这个调用使得一些系统资源用完，那么它将失败并返回一个错误代码。高质量的MPI实现应保证这种情况只在“病态”时发生。即，一个MPI实现将能支持大数量挂起非阻塞操作。　　

当数据已被从发送缓存拷出时，这个发送完成调用返回。它可以带有附加的意义，这取决于发送模式。　　

1) 如果发送模式是“同步的”，那么只有一个匹配接收已开始这个发送才能完成。即，一个接收已被登入，并已和这个发送匹配。这时，这个发送完成调用是非局部的。注意，在接收完成调用发生以前，如果一个同步、非阻塞发送和一个非阻塞接收匹配, 它可以完成。(发送者一“知道”转换将结束，它就能完成，但在接收者 “知道”转换将结束以前)。　　

2) 如果发送模式是“缓存”，并没有挂起接收，那么消息必须被缓存。这时，发送完成调用是局部的，而且无论一个匹配接收的状态如何，它必须成功。　　

3) 如果发送模式是标准的，同时这个消息被缓存，那么在一个匹配接收发生以前，发送结束调用可以返回。另一方面，发送完成直到一个匹配接收发生才可以完成，并且这个消息已被拷到接收缓存。　　

非阻塞发送能被用阻塞接收匹配，反过来也可以。 　　

给用户的建议. 一个发送操作的完成, 对于标准模式可以被延迟, 对于同部模式必须延迟, 直到一个匹配接收登入。这两种情况下非阻塞发送的使用允许发送者提前于接收者进行，以便在两进程的速度方面，计算更容忍波动。　　

缓存和准备好模式中的非阻塞发送有一个更有限的影响。可能一个非阻塞发送将返回，而一个阻塞发送将在数据被从发送者存储拷出后返回。只要在数据拷贝能和计算同时的情况下，非阻塞发送的使用有优点。　　

消息发送模式隐含着由发送者初始化通信。当发送者初始化通信(数据被直接移到接收缓存, 并不要求排队一个挂起发送请求) 时，如果一个接收已登入，这个通信一般将有较低的额外负担。但是，只在匹配发送已发生后，一个接收操作能完成。当非阻塞接收等待发送时，没有阻塞接收，它的使用允许得到较低的通信额外负担。

7.I/O读写函数read/write说明:

7.1 对于read操作来说，它是同步的。也就是说只有当申请读的内容真正存放到buffer中后（user mode的buffer），read函数才返回。在此期间，它会因为等待IO完成而被阻塞。研究过源码的朋友应该知道，这个阻塞发生在两个地方：一是read操作刚刚发起，kernel会检查其它进程的need_sched标志，如果有其它进程需要调度，主动阻塞read操作，这个时候其实I/O操作还没有发起。二是I/O操作发起后，调用lock_page对已经加锁的页面申请锁，这时由于页面已经加锁，所以加锁操作被阻塞，从而read操作阻塞，直到I/O操作完成后页面被解锁，read操作继续执行。所以说read是同步的，其阻塞的原因如上。

对于write操作通常是异步的。因为linux中有page cache机制，所有的写操作实际上是把文件对应的page cache中的相应页设置为dirty，然后write操作返回。这个时候对文件的修改并没有真正写到磁盘上去。所以说write是异步的，这种方式下write不会被阻塞。如果设置了O_SYNC标志的文件，write操作再返回前会把修改的页flush到磁盘上去，发起真正的I/O请求，这种模式下会阻塞。

7.2.Direct I/O

linux支持Direct I/O, 以O_DIRCET标志打开的文件，在read和write的时候会绕开page cache，直接使用user mode的buffer做为I/O操作的buffer。这种情况下的read和write直接发起I/O操作，都是同步的，并会被阻塞。

7.3.AIO

目前大多数的linux用的AIO是基于2.4内核中的patch，使用librt库中的接口。这种方式实现很简单，就是一个父进程clone出子进程帮其做I/O，完成后通过signal或者callback通知父进程。用户看来是AIO，实质还是SIO。linux kernel中AIO的实现概念类似，只不过是以一组kernel thread去做的。这些kernel thread做I/O的时候使用的是和Direct I/O相同的方式。

 

可是看了之后还是有点将信将疑，跑到图书馆翻了UNP 第一卷，不愧是圣经级别的著作，似有所悟。

7.4 UNP所述：

POSIX定义中，同步IO操作：IO操作将导致请求进程阻塞，直到IO操作完成。

异步IO操作：IO操作不导致请求进程阻塞

UNP中总结的IO模型有5种之多

阻塞IO，非阻塞IO，IO复用，信号驱动IO，异步IO,前四种都属于同步IO。

阻塞IO不必说了

非阻塞IO ，IO请求时加上O_NONBLOCK一类的标志位，立刻返回，IO没有就绪会返回错误，需要请求进程主动轮询不断发IO请求直到返回正确

IO复用同非阻塞IO本质一样，不过利用了新的select系统调用，由内核来负责本来是请求进程该做的轮询操作。看似比非阻塞IO还多了一个系统调用开销，不过因为可以支持多路IO，才算提高了效率

信号驱动IO，调用sigaltion系统调用，当内核中IO数据就绪时以SIGIO信号通知请求进程，请求进程再把数据从内核读入到用户空间，这一步是阻塞的。

异步IO，如定义所说，不会因为IO操作阻塞，IO操作全部完成才通知请求进程。

这样以来，同步和阻塞，异步和非阻塞就不会被混淆了，它们不是同一个方面上的概念，不能比较区别

同步和异步是只跟IO操作过程中进程的状态变化有关

阻塞和非阻塞就是进程的两种状态。