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同步、异步IO，以及和阻塞、非阻塞IO的区别和联系

阻塞 (Blocking) vs. 非阻塞 (Non-blocking)

这个维度描述的是应用程序（你）在发起一个I/O请求（点咖啡）后，如果数据（咖啡）还没准备好，应用程序（你）会不会被卡住（原地等待）。它关注的是单个系统调用的行为。

1. 阻塞I/O (Blocking I/O)

  • 定义：应用程序发起I/O请求后，如果内核数据还没准备好，那么应用程序的这个线程就会被挂起（阻塞），直到数据准备好并将数据从内核拷贝到用户空间后，请求才会返回。

  • 咖啡店比喻： 你走到柜台点了一杯咖啡。服务员告诉你：“好的，请稍等。” 然后你就站在柜台前，什么也不干，一直等到服务员把做好的咖啡递给你，你才离开柜台去做别的事情。在等待的整个过程中，你被“阻塞”在了柜台前。

    你 -> 点咖啡() // 发起请求，然后就一直卡在这里... // ...直到咖啡做好拿到手 你 -> 喝咖啡() // 请求返回，继续做后面的事 * 优点：编程模型最简单，逻辑清晰。 * 缺点：一个线程在I/O期间完全被挂起，无法做任何其他事情，导致资源利用率低。

2. 非阻塞I/O (Non-blocking I/O)

  • 定义：应用程序发起I/O请求后，如果内核数据还没准备好，该请求会立即返回一个错误码（例如 EWOULDBLOCK）。应用程序的线程不会被挂起，可以继续执行其他任务。应用程序需要通过轮询（polling）的方式，不断地去询问内核数据是否准备好了。

  • 咖啡店比喻： 你走到柜台点了一杯咖啡。服务员看了一眼，发现还没好，立刻告诉你：“还没好呢！” 然后你就离开了柜台。但你心里惦记着咖啡，所以你每隔一小会儿就跑回柜台问：“我的咖啡好了吗？”。服务员每次都立刻回答你“好了”或“没好”。在你一次次询问的间隙，你可以玩手机或者做别的事。直到有一次你问的时候，服务员把做好的咖啡给了你。

    while (true) { 咖啡 = 点咖啡() // 发起请求，立刻返回 if (咖啡 != "还没好") { break // 拿到咖啡了，跳出循环 } // 在这里可以做点别的事... 玩手机() } 你 -> 喝咖啡() * 优点：线程不会被阻塞，可以在等待I/O的间隙处理其他任务。 * 缺点：需要不断地轮询，这会持续消耗CPU资源（“忙等待”）。

同步 (Synchronous) vs. 异步 (Asynchronous)

这个维度描述的是应用程序（你）与操作系统（服务员）之间协作完成整个I/O操作（从点单到拿到咖啡的全过程）的模式。它关注的是整个I/O事件的通知模型。

3. 同步I/O (Synchronous I/O)

  • 定义：应用程序自己主动发起I/O操作，并且需要自己全程关心这个操作的状态，直到操作最终完成（数据成功从内核拷贝到用户空间）。
  • 核心特征：I/O操作的发起方和最终数据处理方是同一个线程。

  • 咖啡店比喻： 无论是阻塞（你傻等在柜台）还是非阻塞（你反复跑去问），都是你自己全程在跟进“要咖啡”这件事。你必须亲自等到或者问到咖啡好了，然后亲自从服务员手里接过来。整个过程，你（应用程序）是主动方。

    因此，阻塞I/O和非阻塞I/O都属于同步I/O的范畴。

4. 异步I/O (Asynchronous I/O)

  • 定义：应用程序发起一个I/O请求后，便将这件事完全委托给操作系统了，然后立即返回，去做其他的事情。当操作系统完成了所有工作（包括数据准备和从内核拷贝到用户空间），它会通过某种机制（如回调函数、事件通知）来通知应用程序。
  • 核心特征：I/O操作的发起和后续的数据处理可以由不同的线程（或机制）完成。

  • 咖啡店比喻： 你走到柜台点了一杯咖啡，并且给了服务员一个震动的取餐器。然后你就彻底忘了这件事，找个座位去处理工作了。整个做咖啡、把咖啡从吧台端出来的过程都由服务员（操作系统）全权负责。当咖啡完全准备好后，服务员按了一下按钮，你的取餐器响了，这时你才过去把咖啡取走。

    ``` // 告诉服务员：咖啡好了就震动我的取餐器(callback) 点咖啡(取餐器) 你 -> 处理工作() // 完全不管咖啡的事，去做别的工作

    // ...一段时间后... // (取餐器震动) -> 触发回调 function on_coffee_ready(咖啡) { 喝咖啡() } ``` * 优点：线程完全不会被I/O操作阻塞，资源利用率极高。一个线程可以同时处理大量的I/O请求。 * 缺点：编程模型最复杂，需要事件驱动和回调机制。

区别

  1. 维度的不同：

    • 阻塞或非阻塞，关注的是调用API后，线程是否会立刻挂起。
    • 同步或异步，关注的是整个I/O流程中，由谁来负责跟进和通知结果。

  2. 核心区别：

    • 同步与异步：最本质的区别在于，同步I/O需要应用程序主动去轮询或等待I/O操作的结果；而异步I/O是应用程序被动地接收I/O操作完成的通知。
    • 非阻塞与异步：这是最容易混淆的。
      • 非阻塞I/O (属于同步)：应用需要多次主动询问内核: "好了没？"。虽然线程没阻塞，但它得一直操心这件事。
      • 异步I/O：应用只需告诉内核: "你弄吧，好了叫我。"。应用完全不用操心进度，只需等待通知。

I/O多路复用 (Multiplexing I/O):

它通常与非阻塞I/O配合使用，是实现高性能NIO的关键。它引入了一个“代理”（如 select, epoll），你可以把很多路I/O请求都注册给这个代理。然后你的线程只需要阻塞地问这个“代理”：“我托你办的那些事，有任何一件好了吗？”。这样就避免了对每一个I/O都进行无效轮询，大大提高了效率。这仍然属于同步I/O，因为最终还是需要你的线程主动去问代理，并自己去拷贝数据。