I/O的阻塞、非阻塞、同步和异步

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典型的一次I/O的两个阶段分为 数据准备和数据读写

服务器接收客户端的请求，得先监听客户端有没有数据过来，这是数据准备状态，然后就是数据过来了该怎么去读写，这是数据读写状态

一、网络IO阶段一

数据准备阶段分为以下两种

• 阻塞： 让调用I/O的线程进入阻塞状态 ，数据准备好了就唤醒
• 非阻塞： 不会改变线程的状态，通过返回值判断连接断开、无数据非阻塞IO返回、有数据返回等情况

sockfd相当于就是系统的文件描述符，代表1个I/O，创建的时候默认是阻塞，当我调用1个阻塞I/O的话，如果sockfd上没有数据可读，这个recv不会返回，造成当前线程阻塞，直到sockfd上有数据到来

如果我们在创建sockfd的时候设置是非阻塞，recv的体现是：如果sockfd上没有数据到来的话，recv直接返回回来，不会造成当前线程阻塞。sockfd上如果没有数据准备好，一般我们会编写一个循环，不断recv，不断让CPU空转

非阻塞情况下，我们一般这样判断

• ​​size==-1​​，表示错误，是系统的内部错误，需要查看错误码errno，可能要close(sockfd)
• ​​size==0 && errno==EAGAIN​​，表示正常的非阻塞返回，sockfd上没有数据，但是连接正常
• ​​size==0 && 无errno​​，表示网络对端关闭了连接，对端close(sockfd)
• ​​size>0​​，表示sockfd上有数据

二、网络IO阶段二

网络IO阶段2，数据读写阶段根据应用程序和内核的IO交互方式分为以下两种：同步、异步

1. I/O同步

IO同步方式下，我在应用程序上调用recv函数，这个sockfd我不管它工作在阻塞模式还是非阻塞模式，真的有数据准备好了之后（TCP的接收缓冲区有数据了），我们要读这个数据，这个buff是应用层自己定义的，recv会停在这里，然后从内核的TCP接收缓冲区搬数据到应用层上的buff，没搬完之前，recv不会返回。搬完了，recv才返回，size表示应用程序从TCP接收缓冲区搬了多少数据

I/O同步的意思就是：当我调用网络I/O的接口，当I/O阶段1数据准备好之后，在数据读写的时候，应用层自己去读写内核TCP缓冲区，耗时的过程都花在应用层上。数据没有从内核完全搬到应用层，recv就不会返回

2. I/O异步

我们把sockfd告诉内核，我们对sockfd上的数据感兴趣
我们把buff告诉内核，我们需要用buff存放sockfd上的数据
我们把SIGIO告诉内核，buff中准备数据好了，用SIGIO通知我

内核把sockfd对应的TCP接收缓冲区的数据搬到buff里面，搬完以后，通过信号SIGIO给应用程序通知一下。应用程序收到SIGIO通知以前，应用程序就可以玩自己的，做任何事都可以

当我们应用程序调用异步I/O接口的时候，我们就把sockfd，buff，SIGIO（通知方式，也可以通过回调，我们在这里用的是sigio）通过异步I/O接口都塞给了操作系统。应用程序做自己的任何事情都可以，当操作系统通过SIGIO通知应用层的时候，buff中就已经有数据了，应用程序不用自己去TCP缓冲区搬数据，不用像I/O同步一样一直阻塞等待或者非阻塞空转

在同步I/O调用的时候，内核TCP缓冲区有数据准备好了，应用程序自己去内核搬数据，搬完以后recv才返回，耗的是应用程序的时间

异步，一定要记住通知这个特点（异步最大的标识，是异步就有通知），异步I/O优点是效率高，缺点是编程复杂

linux给我们提供的典型异步I/O接口：aio_read，aio_write

给异步IO接口传的数据，就是给内核传的数据

struct aiocb {
  int aio_fildes;                    // 文件描述符
  off_t aio_offset;
  volatile void *aio_buf;            // 用户空间的buff 
  size_t aio_nbytes;
  int aio_reqprio;
  struct sigevent aio_sigevent;      // 通知信号 
  int aio_lio_opcode;
}

陈硕：在处理 IO 的时候，阻塞和非阻塞都是同步 IO；只有使用了特殊的 API 才是异步IO

这里说的特殊的API就是平台提供的异步API，我们只管把参数给API，让内核把所有的IO相关事情都完成，自己等通知就行

epoll是同步的I/O

epoll_wait在调用的时候，我们传参数以后，最后一个参数的timeout，如果不自定义时间，相当于工作在阻塞状态，有事件发生，会返回发生事件的event，我们从event上读，如果event对应的事件是它在sockfd上有可读数据，我们调用recv读，应用程序自己去内核TCP接收缓冲区搬数据，所以这还是同步的IO

我们如果有设置timeout超时时间后，我们也得检查有没有发生事件event，没有的话，我们继续循环epoll_wait监听

三、业务角度的同步和异步

同步就是A操作等待B操作做完事情，得到返回值，继续处理

异步就是A操作告诉B操作它感兴趣的事件以及通知方式，A操作继续执行自己的业务逻辑，等B监听到相应事件发生后，B会 通知 A，A开始相应的数据操作处理逻辑

四、总结

阻塞，非阻塞，同步，异步描述的都是I/O的一些状态，一个典型的网络I/O包含2个阶段：数据准备（数据就绪）和数据读写

比如说recv，传一个sockfd，buff，buff的大小，数据就绪指的是远端有没有数据过来，就是内核相应的sockfd对应的TCP接收缓冲区是否有数据可读，若sockfd工作在阻塞模式，当我们调用recv的时候，如果数据没有就绪，当前线程会阻塞在recv

如果这个sockfd是工作在非阻塞模式下的话，当我们去调用系统I/O接口recv的时候，recv会直接返回的，我们一般根据返回值判断

• ​​size==-1​​，表示错误，是系统的内部错误，需要查看错误码errno，可能要close(sockfd)
• ​​size==0 && errno==EAGAIN​​，表示正常的非阻塞返回，sockfd上没有数据，但是连接正常
• ​​size==0 && 无errno​​，表示网络对端关闭了连接，对端close(sockfd)
• ​​size>0​​，表示sockfd上有数据

如果是同步I/O

远端有数据过来存放在内核的TCP接收缓冲区，应用程序调用recv这个接口，应用程序自己花时间，把数据从内核的TCP接收缓冲区拷贝到给recv传的buff（应用程序的缓冲区），拷贝数据的过程中，应用程序是一直等待数据拷贝完成后，recv才会返回

如果是异步I/O

调用系统给我们提供异步I/O接口的时候，我们要传入

• sockfd：对应一个TCP接收缓冲区，从远端接收数据的
• buff：如果有数据，要把内核缓冲区的数据搬到应用程序的缓冲区中
• 通知方式：通过信号或者回调，告诉操作系统，到时候内核负责监听sockfd上是否有数据可读，有的话把数据从内核的TCP缓冲区搬到buff上，数据搬完后，内核最后通过应用程序告知他的通知方式来通知应用程序