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IO多路复用、同步、异步、阻塞和非阻塞的区别
概念同步异步阻塞非阻塞IO多路复用
同步异步,阻塞非阻塞区别联系IO模型同步阻塞IO同步非阻塞IOIO多路复用异步IO
概念
同步
执行一个操作之后,进程触发IO操作并等待(也就是我们说的阻塞)或者轮询的去查看IO操作(也就是我们说的非阻塞)是否完成,等待结果,然后才继续执行后续的操作。 异步执行一个操作后,可以去执行其他的操作,然后等待通知再回来执行刚才没执行完的操作。 阻塞进程给CPU传达一个任务之后,一直等待CPU处理完成,然后才执行后面的操作。 非阻塞进程给CPU传达任我后,继续处理后续的操作,隔断时间再来询问之前的操作是否完成。这样的过程其实也叫轮询 IO多路复用I/O 多路复用(IO multiplexing)它通过一种机制,可以监视多个文件描述符,一旦某个文件描述符(也就是某个文件)可以执行 I/O 操作时,能够通知应用程序进行相应的读写操作。I/O 多路复用技术是为了解决:在并发式 I/O 场景中进程或线程阻塞到某个 I/O 系统调用而出现的技术,使进程不阻塞于某个特定的I/O 系统调用。 由此可知,I/O 多路复用一般用于并发式的非阻塞 I/O,也就是多路非阻塞 I/O,譬如程序中既要读取鼠标、又要读取键盘,多路读取。 我们可以采用两个功能几乎相同的系统调用来执行 I/O 多路复用操作,分别是系统调用 select()和 poll()。这两个函数基本是一样的,细节特征上存在些许差别 同步异步,阻塞非阻塞区别联系当对文件进行读取操作时,如果文件当前无数据可读,那么阻塞式 I/O 会将调用者应用程序挂起、进入休眠阻塞状态,直到有数据可读时才会解除阻塞;而对于非阻塞 I/O,应用程序不会被挂起,而是会立即返回,它要么一直轮训等待,直到数据可读,要么直接放弃! 所以阻塞式 I/O 的优点在于能够提升 CPU 的处理效率,当自身条件不满足时,进入阻塞状态,交出 CPU资源,将 CPU 资源让给别人使用;而非阻塞式则是抓紧利用 CPU 资源,譬如不断地去轮训,这样就会导致该程序占用了非常高的 CPU 使用率! 实际上同步与异步是针对应用程序与内核的交互而言的。同步过程中进程触发IO操作并等待(也就是我们说的阻塞)或者轮询的去查看IO操作(也就是我们说的非阻塞)是否完成。 异步过程中进程触发IO操作以后,直接返回,做自己的事情,IO交给内核来处理,完成后内核通知进程IO完成。 同步和异步针对应用程序来,关注的是程序中间的协作关系;阻塞与非阻塞更关注的是单个进程的执行状态。 同步有阻塞和非阻塞之分,异步没有,它一定是非阻塞的。 阻塞、非阻塞、多路IO复用,都是同步IO,异步必定是非阻塞的,所以不存在异步阻塞和异步非阻塞的说法。真正的异步IO需要CPU的深度参与。换句话说,只有用户线程在操作IO的时候根本不去考虑IO的执行全部都交给CPU去完成,而自己只等待一个完成信号的时候,才是真正的异步IO。所以,拉一个子线程去轮询、去死循环,或者使用select、poll、epool,都不是异步。 同步阻塞IO模型是最简单的IO模型,用户线程在内核进行IO操作时被阻塞。 如下图所示,用户线程通过系统调用read发起IO读操作,由用户空间转到内核空间。内核等到数据包到达后,然后将接收的数据拷贝到用户空间,完成read操作。 同步非阻塞IO是在同步阻塞IO的基础上,将socket设置为NONBLOCK。这样做用户线程可以在发起IO请求后可以立即返回。 如下图所示,由于socket是非阻塞的方式,因此用户线程发起IO请求时立即返回。但并未读取到任何数据,用户线程需要不断地发起IO请求,直到数据到达后,才真正读取到数据,继续执行。 IO多路复用模型是建立在内核提供的多路分离函数select基础之上的,使用select函数可以避免同步非阻塞IO模型中轮询等待的问题。 如下图所示,用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中,然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时,socket被激活,select函数返回。用户线程正式发起read请求,读取数据并继续执行。 从流程上来看,使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别,甚至还多了添加监视socket,以及调用select函数的额外操作,效率更差。但是,使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket,然后不断地调用select读取被激活的socket,即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中,必须通过多线程的方式才能达到这个目的。 IO多路复用模型使用了Reactor设计模式实现了这一机制。如下图Reactor设计模式所示,EventHandler抽象类表示IO事件处理器,它拥有IO文件句柄Handle(通过get_handle获取),以及对Handle的操作handle_event(读/写等)。继承于EventHandler的子类可以对事件处理器的行为进行定制。Reactor类用于管理EventHandler(注册、删除等),并使用handle_events实现事件循环,不断调用同步事件多路分离器(一般是内核)的多路分离函数select,只要某个文件句柄被激活(可读/写等),select就返回(阻塞),handle_events就会调用与文件句柄关联的事件处理器的handle_event进行相关操作。 “真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中,事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程,由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中,当用户线程收到通知时,数据已经被内核读取完毕,并放在了用户线程指定的缓冲区内,内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。 异步IO模型使用了Proactor设计模式实现了这一机制。 如下图Proactor设计模式所示,Proactor模式和Reactor模式在结构上比较相似,不过在用户(Client)使用方式上差别较大。Reactor模式中,用户线程通过向Reactor对象注册感兴趣的事件监听,然后事件触发时调用事件处理函数。而Proactor模式中,用户线程将AsynchronousOperation(读/写等)、Proactor以及操作完成时的CompletionHandler注册到AsynchronousOperationProcessor。AsynchronousOperationProcessor使用Facade模式提供了一组异步操作API(读/写等)供用户使用,当用户线程调用异步API后,便继续执行自己的任务。AsynchronousOperationProcessor 会开启独立的内核线程执行异步操作,实现真正的异步。当异步IO操作完成时,AsynchronousOperationProcessor将用户线程与AsynchronousOperation一起注册的Proactor和CompletionHandler取出,然后将CompletionHandler与IO操作的结果数据一起转发给Proactor,Proactor负责回调每一个异步操作的事件完成处理函数handle_event。虽然Proactor模式中每个异步操作都可以绑定一个Proactor对象,但是一般在操作系统中,Proactor被实现为Singleton模式,以便于集中化分发操作完成事件。 |
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