同步与异步IO、阻塞与非阻塞IO


很多时候我们常常看到同步与异步,阻塞与非阻塞的出现。有的地方直接将同步与阻塞画上了等号。异步与非阻塞画上了等号。事实上这是不对的。同步不等于阻塞,而异步也不等于非阻塞。下面就来仔细的看看同步与异步、阻塞与非阻塞的概念差别,及他们的组合应用。
同步: 所谓同步,就是在发出一个功能调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回。按照这个定义,其实绝大多数函数都是同步调用(例如sin, isdigit等)。但是一般而言,我们在说同步、异步的时候,特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。最常见的例子就是 SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口,在对方处理完消息之前,这个函数不返回。当对方处理完毕以后,该函数才把消息处理函数所返回的 LRESULT值返回给调用者
异步: 异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。以 CAsycSocket类为例(注意,CSocket从CAsyncSocket派生,但是起功能已经由异步转化为同步),当一个客户端通过调用 Connect函数发出一个连接请求后,调用者线程立刻可以朝下运行。当连接真正建立起来以后,socket底层会发送一个消息通知该对象。
这里提到执行部件和调用者通过三种途径返回结果:状态、通知和回调。可以使用哪一种依赖于执行部件的实现,除非执行部件提供多种选择,否则不受调用者控制。如果执行部件用状态来通知,那么调用者就需要每隔一定时间检查一次,效率就很低(有些初学多线程编程的人,总喜欢用一个循环去检查某个变量的值,这其实是一种很严重的错误)。如果是使用通知的方式,效率则很高,因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数,其实和通知没太多区别
阻塞: 阻塞 调用是指调用结果返回之前,当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。
有人也许会把 阻塞 调用和同步调用等同起来,实际上他是不同的。对于同步调用来说,很多时候当前线程还是激活的,只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如,我们在 CSocket中调用Receive函数,如果缓冲区中没有数据,这个函数就会一直等待,直到有数据才返回。而此时,当前线程还会继续处理各种各样的消息。如果主窗口和调用函数在同一个线程中,除非你在特殊的界面操作函数中调用,其实主界面还是应该可以刷新。
socket接收数据的另外一个函数recv则是一个 阻塞 调用的例子。当socket工作在 阻塞 模式的时候,如果没有数据的情况下调用该函数,则当前线程就会被挂起,直到有数据为止。
非阻塞:

   阻塞阻塞的概念相对应,指在不能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前线程,而会立刻返回。

上面这些概念都是教科书的概念,下面谈谈个人的理解。所谓同步就是当一个进程发起一个函数(任务)调用的时候,一直会到函数(任务)完成。进程继续往下执行。而异步这不会这样,异步情况下是当一个进程发起一个函数(任务)调用的时候,不会等函数返回,而是继续往下执行当,函数返回的时候通过状态、通知、事件等方式通知进程任务完成。

而阻塞和非阻塞的概念相对明了多了。阻塞是当请求不能满足的时候就试进程挂起,非阻塞则是直接返回。

它们的组合:(网络装载)

图 2 给出了传统的阻塞 I/O 模型,这也是目前应用程序中最为常用的一种模型。其行为非常容易理解,其用法对于典型的应用程序来说都非常有效。在调用 read 系统调用时,应用程序会阻塞并对内核进行上下文切换。然后会触发读操作,当响应返回时(从我们正在从中读取的设备中返回),数据就被移动到用户空间的缓冲区中。然后应用程序就会解除阻塞(read 调用返回)。

图 2. 同步阻塞 I/O 模型的典型流程
image

从应用程序的角度来说,read 调用会延续很长时间。实际上,在内核执行读操作和其他工作时,应用程序的确会被阻塞。

PS. 我理解这里的意思是,read请求是阻塞的,也没有异步通知机制,因为应用程序一直在这个过程中等待,即一直在主动查询,所以是同步的。(顺序)

同步非阻塞 I/O

同步阻塞 I/O 的一种效率稍低的变种是同步非阻塞 I/O。在这种模型中,设备是以非阻塞的形式打开的。这意味着 I/O 操作不会立即完成,read 操作可能会返回一个错误代码,说明这个命令不能立即满足(EAGAIN 或 EWOULDBLOCK),如图 3 所示。

图 3. 同步非阻塞 I/O 模型的典型流程
 image

非阻塞的实现是 I/O 命令可能并不会立即满足,需要应用程序调用许多次来等待操作完成。这可能效率不高,因为在很多情况下,当内核执行这个命令时,应用程序必须要进行忙碌等待,直到数据可用为止,或者试图执行其他工作。正如图 3 所示的一样,这个方法可以引入 I/O 操作的延时,因为数据在内核中变为可用到用户调用 read 返回数据之间存在一定的间隔,这会导致整体数据吞吐量的降低。

PS. 我理解这里的意思是,read请求是非阻塞的,但是这里没有异步通知机制,而需要应用程序主动查询,所以是同步的。(多次试探)

异步阻塞 I/O

另外一个阻塞解决方案是带有阻塞通知的非阻塞 I/O。在这种模型中,配置的是非阻塞 I/O,然后使用阻塞 select系统调用来确定一个 I/O 描述符何时有操作。使 select 调用非常有趣的是它可以用来为多个描述符提供通知,而不仅仅为一个描述符提供通知。对于每个提示符来说,我们可以请求这个描述符可以写数据、有读数据可用以及是否发生错误的通知。

图 4. 异步阻塞 I/O 模型的典型流程 (select)
image

select 调用的主要问题是它的效率不是非常高。尽管这是异步通知使用的一种方便模型,但是对于高性能的 I/O 操作来说不建议使用。

PS. 我理解这里的意思是,read请求实际上是非阻塞的,但是在异步通知方式上,采用了阻塞的select系统调用,导致应用程序被阻塞,所以虽然异步,但任然阻塞。(等待通知,自己完成)

异步非阻塞 I/O(AIO)

最后,异步非阻塞 I/O 模型是一种处理与 I/O 重叠进行的模型。读请求会立即返回,说明 read 请求已经成功发起了。在后台完成读操作时,应用程序然后会执行其他处理操作。当 read 的响应到达时,就会产生一个信号或执行一个基于线程的回调函数来完成这次 I/O 处理过程。

图 5. 异步非阻塞 I/O 模型的典型流程
image

在一个进程中为了执行多个 I/O 请求而对计算操作和 I/O 处理进行重叠处理的能力利用了处理速度与 I/O 速度之间的差异。当一个或多个 I/O 请求挂起时,CPU 可以执行其他任务;或者更为常见的是,在发起其他 I/O 的同时对已经完成的 I/O 进行操作。

PS. 我理解这里的意思是,read请求实际上是非阻塞的,但是在异步通知方式上,采用了回调函数,无需应用程序再去处理。(委托完成)

异步 I/O 的动机

从前面 I/O 模型的分类中,我们可以看出 AIO 的动机。阻塞模型要求在 I/O 操作开始时阻塞应用程序,这意味着不可能同时重叠进行处理和 I/O 操作。同步非阻塞模型允许处理和 I/O 操作重叠进行,但是这需要应用程序根据重现的规则来检查 I/O 操作的状态。这样就剩下异步非阻塞 I/O 了,它允许处理和 I/O 操作重叠进行,包括 I/O 操作完成的通知。


原文链接:点击打开链接


智能推荐

注意!

本站转载的文章为个人学习借鉴使用,本站对版权不负任何法律责任。如果侵犯了您的隐私权益,请联系我们删除。



 
© 2014-2019 ITdaan.com 粤ICP备14056181号  

赞助商广告