這篇文章我們來聊一個很簡單，但是很多人往往分不清的一個問題，同步異步、阻塞非阻塞到底怎麼區分？

開篇先問大家一個問題：IO多路複用是同步IO還是異步IO？

先思考一下，再繼續往下讀。

鉅著《Unix網絡編程》將IO模型劃分為5種，分別是

• 阻塞IO
• 非阻塞IO
• IO複用
• 信號驅動IO
• 異步IO

個人認為這麼分類並不是很好，因為從字面上理解阻塞IO和非阻塞IO就已經是數學意義上的全集了，怎麼又冒出了後邊3種模型，會給初學者帶來一些困擾。

接下來進入正文。

文章首發於公眾號：蟬沐風的碼場

1. 一個簡單的IO流程

讓我們先摒棄我們原本熟知的各種IO模型流程圖，先看一個非常簡單的IO流程，不涉及任何阻塞非阻塞、同步異步概念的圖。

客户端發起系統調用之後，內核的操作可以被分成兩步：

• 等待數據

  此階段網絡數據進入網卡，然後網卡將數據放到指定的內存位置，此過程CPU無感知。然後經過網卡發起硬中斷，再經過軟中斷，內核線程將數據發送到socket的內核緩衝區中。

• 數據拷貝

  數據從socket的內核緩衝區拷貝到用户空間。

2. 阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞在API上區別在於socket是否設置了SOCK_NONBLOCK這個參數，默認情況下是阻塞的，設置了該參數則為非阻塞。

2.1 阻塞

假設socket為阻塞模式，則IO調用如下圖所示。

當處於運行狀態的用户線程發起recv系統調用時，如果socket內核緩衝區內沒有數據，則內核會將當前線程投入睡眠，讓出CPU的佔用。

直到網絡數據到達網卡，網卡DMA數據到內存，再經過硬中斷、軟中斷，由內核線程喚醒用户線程。

此時socket的數據已經準備就緒，用户線程由用户態進入到內核態，執行數據拷貝，將數據從內核空間拷貝到用户空間，系統調用結束。此階段，開發者通常認為用户線程處於等待（稱為阻塞也行）狀態，因為在用户態的角度上，線程確實啥也沒幹（雖然在內核態幹得累死累活）。

2.2 非阻塞

如果將socket設置為非阻塞模式，調用便換了一副光景。

用户線程發起系統調用，如果socket內核緩衝區中沒有數據，則系統調用立即返回，不會掛起線程。而線程會繼續輪詢，直到socket內核緩衝區內有數據為止。

如果socket內核緩衝區內有數據，則用户線程進入內核態，將數據從內核空間拷貝到用户空間，這一步和2.1小節沒有區別。

3. 同步與異步

同步和異步主要看請求發起方對消息結果的獲取方式，是主動獲取還是被動通知。區別主要體現在數據拷貝階段。

3.1 同步

同步我們其實已經見識過了，2.1節和2.2節中的數據拷貝階段其實都是同步！

注：把同步的流程畫在阻塞和非阻塞的第二階段，並不是説阻塞和非阻塞的第二階段只能搭配同步手段！

同步指的是數據到達socket內核緩衝區之後，由用户線程參與到數據拷貝過程中，直到數據從內核空間拷貝到用户空間。

因此，IO多路複用，對於應用程序而言，仍然只能算是一種同步，因為應用程序仍然花費時間等待IO結果，等待期間CPU要麼用於遍歷文件描述符的狀態，要麼用於休眠等待事件發生。

以select為例，用户線程發起select調用，會切換到內核空間，如果沒有數據準備就緒，則用户線程阻塞到有數據來為止，select調用結束。結束之後用户線程獲取到的只是「內核中有N個socket已經就緒」的這麼一個信息，還需要用户線程對着1024長度的描述符數組進行遍歷，才能獲取到socket中的數據，這就是同步。

舉個生活中的例子，我們給物流客服打電話詢問我們的包裹是否已到達，如果未到達，我們就先睡一會兒，等到了之後客服給我們打電話把我們喊起來，然後我們屁顛屁顛地去快遞驛站拿快遞。這就是同步阻塞。

如果我們不想睡，就一直打電話問，直到包裹到了為止，然後再屁顛屁顛地去快遞驛站拿快遞。這就是同步非阻塞。

問題就是，能不能直接讓物流的人把快遞直接送到我家，別讓我自己去拿啊！這就是異步。

3.2 理想的異步

我們理想中的完美異步應該是用户進程發起非阻塞調用，內核直接返回結果之後，用户線程可以立即處理下一個任務，只需要IO完成之後通過信號或回調函數的方式將數據傳遞給用户線程。如下圖所示。

因此，在理想的異步環境下，數據準備階段和數據拷貝階段都是由內核完成的，不會對用户線程進行阻塞，這種內核級別的改進自然需要操作系統底層的功能支持。

3.3 現實的異步

現實比理想要骨感一些。

Linux內核並沒有太惹眼的異步IO機制，這難不倒各路大神，比如Node的作者採用多線程模擬了這種異步效果。

比如讓某個主線程執行主要的非IO邏輯操作，另外再起多個專門用於IO操作的線程，讓IO線程進行阻塞IO或者非阻塞IO加輪詢的方式來完成數據獲取，通過IO線程和主線程之間通信進行數據傳遞，以此來實現異步。

還有一種方案是Windows上的IOCP，它在某種程度上提供了理想的異步，其內部依然採用的是多線程的原理，不過是內核級別的多線程。

遺憾的是，用Windows做服務器的項目並不是特別多，期待Linux在異步的領域上取得更大的進步吧。

4. 異步阻塞？

説完了同步異步、阻塞非阻塞，一個很自然的操作就是對他們進行排列組合。

• 同步阻塞
• 同步非阻塞
• 異步非阻塞
• 異步阻塞

但是異步阻塞是什麼鬼？按照上文的解釋，該IO模型在第一階段應該是用户線程阻塞，等待數據；第二階段應該是內核線程（或專門的IO線程）處理IO操作，然後把數據通過事件或者回調的方式通知用户線程，既然如此，那麼第一步的阻塞完全沒有必要啊！非阻塞調用，然後繼續處理其他任務豈不是更好。

因此，壓根不存在異步阻塞這種模型哦～

5. 千萬分清主語是誰

最後給各位提個醒，和別人討論阻塞非阻塞的時候千萬要帶上主語。

如果我問你，epoll是阻塞還是非阻塞？你怎麼回答？

應該説，epoll_wait這個函數本身是阻塞的，但是epoll會將socket設置為非阻塞。因此單純把epoll認為阻塞是太委屈它，認為其是非阻塞又抬舉它。

具體關於epoll的説明可以參見IO多路複用中的epoll部分。

完～