同步?异步?阻塞?非阻塞?到底有没有异步阻塞和异步非阻塞?

主要是针对4个上下文,也就是所谓的概念范围,平常生活中的,计算机I/O模型中的和并行计算4个方面进行总结.

在平常生活中

• 同步: 就是两件或者两件以上的事件同时发生,详情请看字典上的定义.
• 异步: 跟同步相反,两件或者以上的事情不是同时发生.

在计算机I/O模型中,以《Unix Network Programming Volume 1, Third Edition》中Chapter 6中的I/O Models为参考.首 先要说明一点,书中并没有把异步I/O,同步I/O拆分成同步,异步,I/O三个词.更没有提到{同步,异步} X {阻塞, 非阻塞}这些组合,当然 它也提到"five I/O models that are available to us under Unix",那不在Unix底下呢?所以不排除还真的可以这么组合,不 过本人经历,没有在谷歌的英文资源中找到过asynchronous blocking和asynchronous nonblocking这些组合的的I/O模型说法( asynchronous and nonblocking在tornado 文档上出现过一次,所以asynchronous nonblocking还好说,也能理解,没猜错的话 就是异步I/O模型的另外一个说法,但是asynchronous blocking是什么,想象不出来,墙内的资源倒是搜索到一大堆有这种说辞的).

• 先介绍总结一下5种模型,以及它们的区别,这里要配合上面的I/O models参考(其实就是大概翻译概括一下,关于阻塞这个说法,我会选用英文表达,因为这样才方便区分阻塞是动作还是状态).

  1. 阻塞I/O模型 (Blocking I/O Model)

     recvfrom的整个过程就是等待数据被准备好,并且把数据从内核(kernel)复制到进程(process),在这个过程中, recvfrom这个系统调用会因为数据没到达而一直等待(blocked),也就是所说的处于阻塞状态,进程也会因为等待 recvfrom的返回而一直blocked,也可以说recvfrom blocks进程.

     

     Figure 1: Blocking I/O Model

  2. 非阻塞I/O模型 (Nonblocking I/O Model)

     与blocking相反,把socket设置为nonblocking,这个socket叫做nonblocking descriptor.如果一直没有等到数据到来, 那么recvfrom就不等了,也就是说这个非阻塞,直接返回一个EWOULDBLOCK的错误,这样进程就不会因为等待recvform的返回而 blocked了.不过这么一来进程就不能如它所愿的处理数据了.如果想要处理数据,那么进程就需要一个循环不断调用recvform了, 直到收到数据为止,这种方式叫轮询(polling),会有点浪费CPU时间,这么一来,进程实际上还是进程blocked,因为它还是需要 等待数据复制完.

     

     Figure 2: Nonblocking I/O Model

  3. I/O多路复用模型 (I/O Multiplexing Model)

     跟第一种不一样,这回不block recvfrom,而是block一个select或者poll的系统调用,select会一直等待socket变为readable 状态,然后才调用recvfrom.当等待不止一个blocking descriptor的时候,这种方法会比较适合使用.还有一种类似的模型,就是 把多线程和blocking I/O结合使用,一个线程一个blocking descriptor.但进程实际上还是blocked,理由跟第二个模型的一样.

     

     Figure 3: I/O Multiplexing Model

  4. 信号驱动I/O模型 (Signal-Driven I/O Model)

     在打开socket的时候调用sigaction来安装一个signal handler,这个sigaction的system call会立刻返回,不是blocked. 当等到数据了,会生成一个SIGIO给signal handler,这个时候可以通过调用recvfrom来读取来自于signal handler的datagram, 然后通知主循环"数据准备好了,可以开始处理",或者直接通知main loop来读取数据.这个好处就是进程的main loop不会blocked, main loop保持执行并且等待signal handler的通知.但是进程还会是blocked了,因为它总要调用recvfrom.关于main loop的概念, 请参考这里.

     

     Figure 4: Signal-Driven I/O Model

  5. 异步I/O模型 (Asynchronous I/O Model)

     这个模型利用特定的API来让内核开始执行过程(就是等待数据到数据复制完成)并且要求内核在整个过程完成后主动通知我们.这个 例子是调用aio_read,这个系统调用会马上返回并且不会block进程.与信号驱动I/O模型类似,不同点在于信号驱动I/O模型告诉我们 什么时候可以开始进行I/O操作,而异步I/O模型是在内核完成了I/O操作后给我们通知.

     

     Figure 5: Asynchronous I/O Model

• 五种模型的对比

  

  Figure 6: Comparison of the I/O Models

• 回到同步I/O和异步I/O,《Unix Network Programming Volume 1, Third Edition》有定义到,简单点说就是造成请求进程被阻塞 (blocked)的I/O操作就是同步I/O,否则就是异步I/O.根据这个定义前面4个模型都是同步I/O,异步I/O模型只有一个.那么好了,什么是同 步阻塞,同步非阻塞模型呢?维基百科上面的页面已经提示不正确了,《Unix Network Programming Volume 1, Third Edition》上 也没有说到,个人猜测最可能的是同步阻塞指同步I/O中的阻塞I/O模型,同步非阻塞是指异步I/O中的非阻塞I/O模型.按照这种猜测的话, 那么就没有异步阻塞这种模型的说法了,从特征上来看,异步I/O模型一定是不会阻塞进程的,也就是只有非阻塞(non-blocking),所以 异步非阻塞其实就是指异步I/O模型,又或者异步非阻塞也是不存在的,不过asynchronous and blocking在Tornado上的文档出现过, 所以应该是存在的.尽管是猜测,我还是认为这是对的,因为好像没有别的解释比较合理了.而平时一般说的异步,阻塞,非阻塞,同步都是省略了 I/O一词的;这里所指的同步和异步实际就是根据请求进程是否blocked而定的,跟并行计算中的不一样,所以在I/O模型中不能把这几个词单 独解释呢.

在计算机的并行计算中, 参考

• 同步(synchronization):让多线程,多进程以正确的运行时顺序运行(可能回涉及对同一个资源的访问)并且防止竞争条件(race condition)的发生. 有点类似于在饭堂排对打饭一样,要求一个接着一个,有序.
• 异步:跟同步相反.无序执行,执行顺序不可测.还有跟多线程和多进程没有太大关系,多线程特性叫并发,多进程特性叫并行.

在计算机云中, 参考

• 同步:保持多个数据的备份相同,比如MegaSync,DropBox所提供的服务.
• 异步:跟同步相反.

最后,为什么写这篇文章是因为最近意外看到别的一些文章和答案,上面有一些超出我认知的东西,比如异步阻塞和异步非阻塞,而且还有很多人 在说这东西,看得我怀疑人生:"难道我以前学得东西错了?",可能性很大,于是我就各种找书,各种查维基百科,目的是为了给自己debug. 最后得出结论这些东西还是要结合上下文来理解,就像这里明显就是指异步I/O模型,最后的最后,没有异步阻塞模型,涉及I/O的时候不要 把模型名字里面的形容词拆开来理解.我猜大部份人都把并行计算中的同步异步放到I/O模型里面去理解了,所以才会有这种奇怪的组合, 而且本身阻塞I/O模型就单独是个模型了,不知道为何衍生出同步阻塞这种说法,其它模型同理,虽然不是错的,但这样很容易让初学的人产 生疑惑,而且用这种说法的人还有很多,十分容易让人对自己产生怀疑.特别是那个同步阻塞的说法,反正我对自己怀疑过.