1. 概念說明

1.1?用戶空間與內核空間

現在操作系統都是采用虛擬存儲器，那么對32位操作系統而言，它的尋址空間(虛擬存儲空間)為4G(2的32次方)。操作系統的核心是內核，獨立于普通的應用程序，可以訪問受保護的內存空間，也有訪問底層硬件設備的所有權限。為了保證用戶進程不能直接操作內核(kernel)，保證內核的安全，操心系統將虛擬空間劃分為兩部分，一部分為內核空間，一部分為用戶空間。針對linux操作系統而言，將最高的1G字節(從虛擬地址0xC0000000到0xFFFFFFFF)，供內核使用，稱為內核空間，而將較低的3G字節(從虛擬地址0x00000000到0xBFFFFFFF)，供各個進程使用，稱為用戶空間。

1.2 進程切換

為了控制進程的執行，內核必須有能力掛起正在CPU上運行的進程，并恢復以前掛起的某個進程的執行。這種行為被稱為進程切換。因此可以說，任何進程都是在操作系統內核的支持下運行的，是與內核緊密相關的。

從一個進程的運行轉到另一個進程上運行，這個過程中經過下面這些變化：

1. 保存處理機上下文，包括程序計數器和其他寄存器。

2. 更新PCB信息。

3. 把進程的PCB移入相應的隊列，如就緒、在某事件阻塞等隊列。

4. 選擇另一個進程執行，并更新其PCB。

5. 更新內存管理的數據結構。

6. 恢復處理機上下文。

注：總而言之就是很耗資源，具體的可以參考這篇文章：進程切換

1.3 進程阻塞

正在執行的進程，由于期待的某些事件未發生，如請求系統資源失敗、等待某種操作的完成、新數據尚未到達或無新工作做等，則由系統自動執行阻塞原語(Block)，使自己由運行狀態變為阻塞狀態。可見，進程的阻塞是進程自身的一種主動行為，也因此只有處于運行態的進程(獲得CPU)，才可能將其轉為阻塞狀態。當進程進入阻塞狀態，是不占用CPU資源的。

1.4 文件描述符

文件描述符(File descriptor)是計算機科學中的一個術語，

文件描述符在形式上是一個非負整數。實際上，它是一個索引值，指向內核為每一個進程所維護的該進程打開文件的記錄表。當程序打開一個現有文件或者創建一個新文件時，內核向進程返回一個文件描述符。在程序設計中，一些涉及底層的程序編寫往往會圍繞著文件描述符展開。但是文件描述符這一概念往往只適用于UNIX、Linux

1.5 緩存I/O

緩存 I/O 又被稱作標準 I/O，大多數文件系統的默認 I/O 操作都是緩存 I/O。在 Linux 的緩存 I/O 機制中，操作系統會將 I/O 的數據緩存在文件系統的頁緩存( page cache )中，也就是說，數據會先被拷貝到操作系統內核的緩沖區中，然后才會從操作系統內核的緩沖區拷貝到應用程序的地址空間。

緩存 I/O 的缺點：

數據在傳輸過程中需要在應用程序地址空間和內核進行多次數據拷貝操作，這些數據拷貝操作所帶來的 CPU 以及內存開銷是非常大的。

2. 同步與異步

首先來解釋同步和異步的概念，這兩個概念與消息的通知機制有關。也就是同步與異步主要是從消息通知機制角度來說的。

2.1 概念描述

同步就是一個任務的完成需要依賴另外一個任務時，只有等待被依賴的任務完成后，依賴的任務才能算完成，這是一種可靠的任務序列。要么成功都成功，失敗都失敗，兩個任務的狀態可以保持一致。

異步是不需要等待被依賴的任務完成，只是通知被依賴的任務要完成什么工作，依賴的任務也立即執行，只要自己完成了整個任務就算完成了。至于被依賴的任務最終是否真正完成，依賴它的任務無法確定，所以它是不可靠的任務序列。

2.2 消息通知

異步的概念和同步相對。當一個同步調用發出后，調用者要一直等待返回消息(結果)通知后，才能進行后續的執行；當一個異步過程調用發出后，調用者不能立刻得到返回消息(結果)。實際處理這個調用的部件在完成后，通過狀態、通知和回調來通知調用者。

這里提到執行部件和調用者通過三種途徑返回結果：狀態、通知和回調。使用哪一種通知機制，依賴于執行部件的實現，除非執行部件提供多種選擇，否則不受調用者控制。

如果執行部件用狀態來通知，那么調用者就需要每隔一定時間檢查一次，效率就很低(有些初學多線程編程的人，總喜歡用一個循環去檢查某個變量的值，這其實是一種很嚴重的錯誤)；

如果是使用通知的方式，效率則很高，因為執行部件幾乎不需要做額外的操作。至于回調函數，其實和通知沒太多區別。

2.3 場景比喻

舉個例子，比如我去銀行辦理業務，可能會有兩種方式：

選擇排隊等候；

另種選擇取一個小紙條上面有我的號碼，等到排到我這一號時由柜臺的人通知我輪到我去辦理業務了；

第一種：前者(排隊等候)就是同步等待消息通知，也就是我要一直在等待銀行辦理業務情況；

第二種：后者(等待別人通知)就是異步等待消息通知。在異步消息處理中，等待消息通知者(在這個例子中就是等待辦理業務的人)往往注冊一個回調機制，在所等待的事件被觸發時由觸發機制(在這里是柜臺的人)通過某種機制(在這里是寫在小紙條上的號碼，喊號)找到等待該事件的人。

3. 阻塞與非阻塞

阻塞和非阻塞這兩個概念與程序(線程)等待消息通知(無所謂同步或者異步)時的狀態有關。也就是說阻塞與非阻塞主要是程序(線程)等待消息通知時的狀態角度來說的。

3.1 概念描述

阻塞調用是指調用結果返回之前，當前線程會被掛起，一直處于等待消息通知，不能夠執行其他業務。函數只有在得到結果之后才會返回。

阻塞調用和同步調用不同點：

對于同步調用來說，很多時候當前線程可能還是激活的，只是從邏輯上當前函數沒有返回而已，此時，這個線程可能也會處理其他的消息。還有一點，在這里先擴展下：

a.如果這個線程在等待當前函數返回時，仍在執行其他消息處理，那這種情況就叫做同步非阻塞；

b.如果這個線程在等待當前函數返回時，沒有執行其他消息處理，而是處于掛起等待狀態，那這種情況就叫做同步阻塞；

所以同步的實現方式會有兩種：同步阻塞、同步非阻塞；同理，異步也會有兩種實現：異步阻塞、異步非阻塞；

2.對于阻塞調用來說，則當前線程就會被掛起等待當前函數返回；

非阻塞和阻塞的概念相對應，指在不能立刻得到結果之前，該函數不會阻塞當前線程，而會立刻返回。雖然表面上看非阻塞的方式可以明顯的提高CPU的利用率，但是也帶了另外一種后果就是系統的線程切換增加。增加的CPU執行時間能不能補償系統的切換成本需要好好評估。

3.2 場景比喻

繼續上面的那個例子，不論是排隊還是使用號碼等待通知，如果在這個等待的過程中，等待者除了等待消息通知之外不能做其它的事情，那么該機制就是阻塞的，表現在程序中,也就是該程序一直阻塞在該函數調用處不能繼續往下執行。

相反，有的人喜歡在銀行辦理這些業務的時候一邊打打電話發發短信一邊等待，這樣的狀態就是非阻塞的，因為他(等待者)沒有阻塞在這個消息通知上，而是一邊做自己的事情一邊等待。

但是需要注意了，同步非阻塞形式實際上是效率低下的，想象一下你一邊打著電話一邊還需要抬頭看到底隊伍排到你了沒有。如果把打電話和觀察排隊的位置看成是程序的兩個操作的話，這個程序需要在這兩種不同的行為之間來回的切換，效率可想而知是低下的；而異步非阻塞形式卻沒有這樣的問題，因為打電話是你(等待者)的事情，而通知你則是柜臺(消息觸發機制)的事情，程序沒有在兩種不同的操作中來回切換。

4. IO多路復用

剛才說了，對于一次IO訪問(以read舉例)，數據會先被拷貝到操作系統內核的緩沖區中，然后才會從操作系統內核的緩沖區拷貝到應用程序的地址空間。所以說，當一個read操作發生時，它會經歷兩個階段：

1. 等待數據準備 (Waiting for the data to be ready)

2. 將數據從內核拷貝到進程中 (Copying the data from the kernel to the process)

正式因為這兩個階段，linux系統產生了下面五種網絡模式的方案。

- 阻塞 I/O(blocking IO)

- 非阻塞 I/O(nonblocking IO)

- I/O 多路復用( IO multiplexing)

- 信號驅動 I/O( signal driven IO)

- 異步 I/O(asynchronous IO)

注：由于signal driven IO在實際中并不常用，所以我這只提及剩下的四種IO Model。

4.1 阻塞 I/O(blocking IO)

在linux中，默認情況下所有的socket都是blocking，一個典型的讀操作流程大概是這樣：

當用戶進程調用了recvfrom這個系統調用，kernel就開始了IO的第一個階段：準備數據(對于網絡IO來說，很多時候數據在一開始還沒有到達。比如，還沒有收到一個完整的UDP包。這個時候kernel就要等待足夠的數據到來)。這個過程需要等待，也就是說數據被拷貝到操作系統內核的緩沖區中是需要一個過程的。而在用戶進程這邊，整個進程會被阻塞(當然，是進程自己選擇的阻塞)。當kernel一直等到數據準備好了，它就會將數據從kernel中拷貝到用戶內存，然后kernel返回結果，用戶進程才解除block的狀態，重新運行起來。

blocking IO的特點就是在IO執行的兩個階段都被block了。

4.2 非阻塞 I/O(nonblocking IO)

linux下，可以通過設置socket使其變為non-blocking。當對一個non-blocking socket執行讀操作時，流程是這個樣子：

當用戶進程發出read操作時，如果kernel中的數據還沒有準備好，那么它并不會block用戶進程，而是立刻返回一個error。從用戶進程角度講 ，它發起一個read操作后，并不需要等待，而是馬上就得到了一個結果。用戶進程判斷結果是一個error時，它就知道數據還沒有準備好，于是它可以再次發送read操作。一旦kernel中的數據準備好了，并且又再次收到了用戶進程的system call，那么它馬上就將數據拷貝到了用戶內存，然后返回。

nonblocking IO的特點是用戶進程需要不斷的主動詢問kernel數據好了沒有。

4.3 I/O 多路復用( IO multiplexing)

IO multiplexing就是我們說的select，poll，epoll，有些地方也稱這種IO方式為event driven IO。select/epoll的好處就在于單個process就可以同時處理多個網絡連接的IO。它的基本原理就是select，poll，epoll這個function會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有數據到達了，就通知用戶進程。

當用戶進程調用了select，那么整個進程會被block，而同時，kernel會“監視”所有select負責的socket，當任何一個socket中的數據準備好了，select就會返回。這個時候用戶進程再調用read操作，將數據從kernel拷貝到用戶進程。

所以，I/O 多路復用的特點是通過一種機制一個進程能同時等待多個文件描述符，而這些文件描述符(套接字描述符)其中的任意一個進入讀就緒狀態，select()函數就可以返回。

這個圖和blocking IO的圖其實并沒有太大的不同，事實上，還更差一些。因為這里需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只調用了一個system call (recvfrom)。但是，用select的優勢在于它可以同時處理多個connection。

所以，如果處理的連接數不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking IO的web server性能更好，可能延遲還更大。select/epoll的優勢并不是對于單個連接能處理得更快，而是在于能處理更多的連接。)

在IO multiplexing Model中，實際中，對于每一個socket，一般都設置成為non-blocking，但是，如上圖所示，整個用戶的process其實是一直被block的。只不過process是被select這個函數block，而不是被socket IO給block。

4.4 異步 I/O(asynchronous IO)

inux下的asynchronous IO其實用得很少。先看一下它的流程：

用戶進程發起read操作之后，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到一個asynchronous read之后，首先它會立刻返回，所以不會對用戶進程產生任何block。然后，kernel會等待數據準備完成，然后將數據拷貝到用戶內存，當這一切都完成之后，kernel會給用戶進程發送一個signal，告訴它read操作完成了。

4.5 總結

blocking和non-blocking的區別：

調用blocking IO會一直block住對應的進程直到操作完成，而non-blocking IO在kernel還準備數據的情況下會立刻返回。

synchronous IO和asynchronous IO的區別：

在說明synchronous IO和asynchronous IO的區別之前，需要先給出兩者的定義。POSIX的定義是這樣子的：

- A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;

- An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

兩者的區別就在于synchronous IO做”IO operation”的時候會將process阻塞。按照這個定義，之前所述的blocking IO，non-blocking IO，IO multiplexing都屬于synchronous IO。

有人會說，non-blocking IO并沒有被block啊。這里有個非常“狡猾”的地方，定義中所指的”IO operation”是指真實的IO操作，就是例子中的recvfrom這個system call。non-blocking IO在執行recvfrom這個system call的時候，如果kernel的數據沒有準備好，這時候不會block進程。但是，當kernel中數據準備好的時候，recvfrom會將數據從kernel拷貝到用戶內存中，這個時候進程是被block了，在這段時間內，進程是被block的。

而asynchronous IO則不一樣，當進程發起IO 操作之后，就直接返回再也不理睬了，直到kernel發送一個信號，告訴進程說IO完成。在這整個過程中，進程完全沒有被block。

各個IO Model的比較如圖所示：

通過上面的圖片，可以發現non-blocking IO和asynchronous IO的區別還是很明顯的。在non-blocking IO中，雖然進程大部分時間都不會被block，但是它仍然要求進程去主動的check，并且當數據準備完成以后，也需要進程主動的再次調用recvfrom來將數據拷貝到用戶內存。而asynchronous IO則完全不同。它就像是用戶進程將整個IO操作交給了他人(kernel)完成，然后他人做完后發信號通知。在此期間，用戶進程不需要去檢查IO操作的狀態，也不需要主動的去拷貝數據。

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總結

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