文章目錄

• 1. 基本概念
• • 1.1 阻塞與非阻塞
  • 1.2 同步與異步
  • 1.3 為什么沒有“異步阻塞”
• 2. 五種IO模型
• • 2.1 阻塞 blocking
  • 2.2 非阻塞 non-blocking
  • 2.3. IO復用（IO multiplexing）
  • 2.4 信號驅動（signal-driven）
  • 2.5 異步（asynchronous）

1. 基本概念

首先回顧并理解一下網絡IO中阻塞、非阻塞；同步、異步的概念。

首先我們要知道：一個典型的網絡IO接口調用，分為兩個階段，分別是“數據就緒”和“數據讀寫”。
阻塞與非阻塞是“數據就緒”階段的概念，同步與異步是“數據讀寫”階段的概念。

1.1 阻塞與非阻塞

所謂阻塞，就是IO在沒有準備好數據的時候，調用IO方法的線程會被阻塞，直至收到數據時解除阻塞；而非阻塞IO在沒有準備好數據的時候IO方法一樣會返回，線程不會被阻塞。以recv方法為例，我們一般這樣調用：

int size = recv(sockfd, buf, 1024, 0);

我們創建的sockfd默認是阻塞的，那么當執行這個函數時，如果sockfd對應的socket上數據沒有就緒（即TCP接收緩存區中無數據），則該線程會阻塞，再往下的代碼不會執行；但如果我們使用fcntl設置sockfd對應的socket為非阻塞，該socket工作在非阻塞狀態下，那么執行該函數時，無論是否有數據準備好，該函數都會返回，然后我們可以通過返回的size值和errno來判斷是否讀到數據：

size == -1 && errno == EAGAIN: 表示沒有讀到數據，是因為非阻塞才返回；
size == 0：表示對端斷開連接；
size > 0 : 表示讀到數據，size為數據的長度；

1.2 同步與異步

再來說網絡IO的同步和異步。剛才我們討論阻塞和非阻塞時，關注的是數據準備階段且數據沒有準備好的情況，現在我們討論同步和異步，關注的是數據已經準備好（TCP接收緩存區中有數據），進入數據讀寫階段時的情況。

同步：同步表示A向B請求調用一個網絡IO接口時，數據的讀寫都是由請求方A自己來完成的（不管是阻塞還是非阻塞）
比如調用recv方法（recv是同步IO方法）的時候其檢測到數據已經準備好，然后把數據從內核的TCP接受緩存區拷貝到我們傳入的buf（recv方法的第二個參數）中，這一拷貝過程耗費的是調用recv的線程的時間，直至拷貝結束，recv才返回；

異步：異步表示A向B請求調用一個網絡IO接口時，向B傳入請求的事件以及事件發生時通知的方式，A就可以處理其它邏輯了，當B監聽到事件處理完成后，會用事先約定好的通知方式，通知A處理結果。
比如某個應用程序調用了一個異步IO的API來處理數據讀入（如aio_read），那么應用程序只需把需要監聽的sockfd給內核傳入，內核來負責數據的準備和讀入。在此期間，應用程序可以做自己的事情。數據讀入完畢以后，再通過信號等方式來通知應用程序。

1.3 為什么沒有“異步阻塞”

把阻塞、非阻塞，同步、異步兩兩組合有：

• 同步阻塞
• 同步非阻塞
• 異步阻塞
• 異步非阻塞

其中，所有平時使用的Linux網絡IO的API都是同步的（如write、read、recv等等），我們可以通過設置其關注的socket為阻塞或者非阻塞，這樣就有了同步阻塞和同步非阻塞的API。

但是異步的API一定是非阻塞的，因為異步IO是要讓內核幫我們完成數據的讀寫，讓調用它的應用程序可以去做自己的事情，如果異步的同時又阻塞，那么應用程序無法做自己的事情，異步就失去了意義。

2. 五種IO模型

有了以上的知識鋪墊，再學習Linux的五種IO模型就通暢很多。

2.1 阻塞 blocking

調用者調用了某個函數，等待這個函數返回，期間什么也不做，不停的去檢查這個函數有沒有返回，必須等這個函數返回才能進行下一步動作。下圖以read為例。

2.2 非阻塞 non-blocking

非阻塞等待，每隔一段時間就去檢測IO事件是否就緒。沒有就緒就可以做其他事。非阻塞I/O執行系統調用總是立即返回，不管事件是否已經發生，若事件沒有發生，則返回-1，此時可以根據 errno 區分這兩種情況，對于accept，recv 和 send，事件未發生時，errno 通常被設置成 EAGAIN。

2.3. IO復用（IO multiplexing）

Linux 用 select/poll/epoll 函數實現 IO 復用模型，這些函數也會使進程阻塞，但是和阻塞IO所不同的是這些函數可以同時阻塞多個IO操作。而且可以同時對多個讀操作、寫操作的IO函數進行檢測。直到有數據可讀或可寫時，才真正調用IO操作函數。

2.4 信號驅動（signal-driven）

Linux 用套接口進行信號驅動 IO，安裝一個信號處理函數，進程繼續運行并不阻塞，當IO事件就緒，進程收到SIGIO 信號，然后處理 IO 事件。

注意區分信號驅動和異步IO的區別：信號驅動中，內核在數據準備階段是異步，但在數據讀寫階段是同步，仍然要花費應用程序自己的時間；與非阻塞IO的區別在于它提供了消息通知機制，不需要用戶進程不斷的輪詢檢查，減少了系統API的調用次數，提高了效率。

2.5 異步（asynchronous）

Linux中，可以調用 aio_read 函數告訴內核描述字緩沖區指針和緩沖區的大小、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，當內核將數據拷貝到緩沖區后，再通知應用程序。從圖中可以看出，異步IO是內核負責把數據從內核空間拷貝到用戶空間，不耗費應用程序自己的時間，而前面四種IO方式在數據讀寫階段都需要應用程序自己負責。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【Linux网络编程学习】阻塞、非阻塞、同步、异步以及五种I/O模型的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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