一、开胃菜

最近在学习Python中的socketserver时，从网上搜索了一下相关介绍，感觉它是socket IO复用+多线程的实现，但是度娘上大部分说它是socket 异步+多线程的实现，于是又再次度娘看了看网上各种介绍阻塞非阻塞IO，同步异步IO的文章，感觉越看越乱，估计很多作者本身都没真正的去了解非阻塞与异步，经常将两个概念混淆，误导他人。

二、正餐

讲到网络编程的I/O模型，总会涉及到这几个概念。问了很多人，没几个能清晰地讲出他们之间的区别联系，甚至在网络上也有很多不同的观点，也不知是中国文字释义的博大精深，还是本来这几个概念就是绕人不倦。今天我也来给大家讲解一下我对这几个概念的理解。
既然网络上众说纷纭，不如找个权威参考一下，这个权威就是《UNIX网络编程：卷一》第六章——I/O复用。书中向我们提及了5种类UNIX下可用的I/O模型：

• 阻塞式I/O；

• 非阻塞式I/O；

• I/O复用（select，poll，epoll...）；

• 信号驱动式I/O（SIGIO）；

• 异步I/O（POSIX的aio_系列函数）；

阻塞式I/O模型：默认情况下，所有套接字都是阻塞的。怎么理解？先理解这么个流程，一个输入操作通常包括两个不同阶段：

（1）等待数据准备好；
（2）从内核向进程复制数据。

对于一个套接字上的输入操作，第一步通常涉及等待数据从网络中到达。当所有等待分组到达时，它被复制到内核中的某个缓冲区。第二步就是把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。好，下面我们以阻塞套接字的recvfrom的的调用图来说明阻塞：

阻塞IO模型

标红的这部分过程就是阻塞，直到阻塞结束recvfrom才能返回。

非阻塞式I/O： 以下这句话很重要：进程把一个套接字设置成非阻塞是在通知内核，当所请求的I/O操作非得把本进程投入睡眠才能完成时，不要把进程投入睡眠，而是返回一个错误。看看非阻塞的套接字的recvfrom操作如何进行：

非阻塞式I/O模型

I/O多路复用：虽然I/O多路复用的函数也是阻塞的，但是其与以上两种还是有不同的，I/O多路复用是阻塞在select，epoll这样的系统调用之上，而没有阻塞在真正的I/O系统调用如recvfrom之上。如图：

I/O多路复用模型

我们阻塞与select调用，等待数据报套接字变为可读。当select返回套接字可读这一条件时，我们调用recvfrom把数据从内核缓冲区复制到应用程序缓冲区。
我们比较I/O复用与阻塞IO，I/O复用并不显得有什么优势，事实上由于使用select需要两个而不是单个系统调用，I/O复用还稍有劣势。但是，使用select的真正优势在于我们可以等待多个描述符就绪。

信号驱动式I/O：这种模型的优势在于等待数据报到达期间进程不被阻塞。 主循环可以继续执行，只要等待来自信号处理函数的通知。

信号驱动式I/O模型

异步I/O：这类函数的工作机制是告知内核启动某个操作，并让内核在整个操作（包括将数据从内核拷贝到用户空间）完成后通知我们。这种模型与信号驱动模型最大的区别在于：信号驱动式IO是由内核通知我们何时可以启动一个IO操作，而异步IO模型是由内核通知我们IO操作何时完成。如图：

异步I/O模型

三、加餐

1. 同步IO与异步IO的对比：

POSIX对这两个术语的定义：
同步I/O操作：导致请求进程阻塞，直到I/O操作完成；
异步I/O操作：不导致请求进程阻塞。

5种IO模型的对比

2. 自己的理解

• 阻塞，非阻塞：进程/线程要访问的数据是否就绪，进程/线程是否需要等待；

• 同步，异步：访问数据的方式，同步需要主动读写数据，在读写数据的过程中还是会阻塞；异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写

3. 留给你的问题

相信如果你认真看完了上面的内容，下面的几个概念你应该会明白了：

• 同步阻塞IO ?
• 同步非阻塞IO ?
• 异步IO(异步有没有阻塞和非阻塞IO呢？)

四、夜宵

同步、异步、阻塞、非阻塞这几个概念，上面已经写得很清楚了。
这里我结合自己的理解，简单地聊一下为什么这几个概念容易混淆。如果有错误之处，恳请批评指正。
我认为同步、异步、阻塞、非阻塞，是分3个层次的：CPU层次；线程层次；程序员感知层次。
这几个概念之所以容易混淆，是因为没有分清楚是在哪个层次进行讨论。

CPU层次
在CPU层次，或者说操作系统进行IO和任务调度的层次，现代操作系统通常使用异步非阻塞方式进行IO（也有少部分IO可能会使用同步非阻塞轮询（6-2的非阻塞IO模型）），即发出IO请求之后，并不等待IO操作完成，而是继续执行下面的指令（非阻塞），IO操作和CPU指令互不干扰（异步），最后通过中断的方式来通知IO操作完成结果。

线程层次
在线程层次，或者说操作系统调度单元的层次，操作系统为了减轻程序员的思考负担，将底层的异步非阻塞的IO方式进行封装，把相关系统调用（如read，write等）以同步的方式展现出来。然而，同步阻塞的IO会使线程挂起，同步非阻塞的IO会消耗CPU资源在轮询上。
为了解决这一问题，就有3种思路：

• 多线程（同步阻塞）；
• IO多路复用（select，poll，epoll）（同步非阻塞，严格地来讲，是把阻塞点改变了位置，阻塞在select）；
• 直接暴露出异步的IO接口，如kernel-aio和IOCP（异步非阻塞）。

程序员感知层次
在Linux中， IO多路复用用得比较广泛，也是比较理想的解决方案。然而，直接使用select之类的接口，依然比较复杂，所以各种库和框架百花齐放，都试图对IO多路复用进行封装。
此时，库和框架提供的API又可以选择是以同步的方式还是异步的方式来展现。如python的asyncio库中，就通过协程，提供了同步阻塞式的API；如node.js中，就通过回调函数，提供了异步非阻塞式的API。

总结
因此，我们在讨论同步、异步、阻塞、非阻塞时，必须先明确是在哪个层次进行讨论。比如node.js，我们可以说她在程序员感知层次提供了异步非阻塞的API，也可以说在Linux下，她在线程层次以多路复用的epoll来实现。

广义上的异步：调用在发出之后，这个调用就直接返回了，所以没有返回结果。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数处理这个调用

狭义上的异步：异步是一种访问数据的方式，异步只需要I/O操作完成的通知，并不主动读写数据，由操作系统内核完成数据的读写

广义上的同步：发出一个调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回，就得到返回值了

狭义上的同步：同步是一种访问数据的方式，同步需要主动读写数据，在读写数据的过程中会阻塞 (例:我们需要自己调用recvfrom将数据从内核缓冲读入应用缓冲，即需要主动读写)

阻塞：进程/线程要访问的数据未就绪，当前进程/线程会挂起

非阻塞：进程/线程要访问的数据未就绪，当前进程/线程不会挂起

五、谢谢厨子

怎样理解阻塞非阻塞与同步异步的区别？