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关于Blocking IO, Non-Blocking IO 和 Asynchronous I/O的理解

编程日记 2024-11-30 19:40:00

文章写得很详细很清楚了，对我的理解帮助很大。
转载自：http://www.cnblogs.com/whyandinside/archive/2012/03/04/2379234.html。

概括来说，一个IO操作可以分为两个部分：发出请求、结果完成。如果从发出请求到结果返回，一直Block，那就是Blocking IO；如果发出请求就可以返回（结果完成不考虑），就是non-blocking IO；如果发出请求就返回，结果返回是Block在select或者poll上的，则其只能称为IO multiplexing；如果发出请求就返回，结果返回通过Call Back的方式被处理，就是AIO。

文[2]中图画的不错，说的也比较清楚借来用一下。

Blocking IO

这个最好理解了，在Blocking IO模式下，函数调用只有在操作完成后才会返回。下图是它调用过程的图示：
这里写图片描述
重点解释下上图，下面例子都会讲到。首先application调用 recvfrom()转入kernel，注意kernel有2个过程，wait for data和copy data from kernel to user。直到最后copy complete后，recvfrom()才返回。此过程一直是阻塞的。

Non-Blocking IO

Non-Blocking 是Blocking的反，也就是说，即使操作没有完成，函数也可以返回。调用过程如下：
这里写图片描述
可以看见，如果直接操作它，那就是个轮询。。直到内核缓冲区有数据

AIO也是这样啊？对！这是Non-Blocking IO 和AIO的共同点。其实从概念层面来说Non-Blocking IO 就是AIO，他们没有什么区别。但是Non-Blocking IO是对文件描述符（*nix）或者Handle（Windows）的设置，在执行操作时不需要特殊的数据结构。Non-Blocking IO提交请求后只能通过提交的操作函数来查询操作是否完成，这是一个很大的限制。而AIO往往会提供多种通知或者查询机制，也就是说用Non-Blocking IO时只能轮询，而AIO有更多选择。所以是否支持轮询外的其他机制是AIO和Non-Blocking IO的区别。

Non-Blocking IO和Blocking IO的区别仅仅在操作是否能够立刻完成，如果能够立刻完成，IO函数的行为是一样的；如果不能立刻完成，Non-Blocking IO会返回EAGAIN或者EWOULDBLOCK，而Blocking IO会一直阻塞。

I/O multiplexing (select and poll)
最常见的I/O复用模型，select。
这里写图片描述
select先阻塞，有活动套接字才返回。与blocking I/O相比，select会有两次系统调用，但是select能处理多个套接字。

signal driven I/O (SIGIO)
只有UNIX系统支持，感兴趣的课查阅相关资料
这里写图片描述

与I/O multiplexing (select and poll)相比，它的优势是，免去了select的阻塞与轮询，当有活跃套接字时，由注册的handler处理。

Asynchronous I/O （the POSIX aio_functions）

很少有*nix系统支持，windows的IOCP则是此模型。

The POSIX asynchronous I/O (AIO) interface allows applications to initiate one or more I/O operations that are performed asynchronously (i.e., in the background). The application can elect to be notified of completion of the I/O operation in a variety of ways: by delivery of a signal, by instantiation of a thread, or no notification at all.

AIO让应用发起一个操作请求，让这个请求被异步地执行。应用可以选择在操作完成时被通知到或者不被通知。所以通知机制并不是AIO的核心，但是需要提供几种选择。在Windows上，Overlapped IO是AIO的实现，IOCP在Overlapped IO的基础上提供了高效的通知机制。
这里写图片描述
完全异步的I/O复用机制，因为纵观上面其它四种模型，至少都会在由kernel copy data to application时阻塞。而该模型是当copy完成后才通知application，可见是纯异步的。好像只有windows的完成端口是这个模型，效率也很出色。

下面是以上五种模型的比较
这里写图片描述
可以看出，越往后，阻塞越少，理论上效率也是最优。

下面可以把select,epoll,iocp,kqueue按号入座。

select和iocp分别对应第3种与第5种模型，那么epoll与kqueue呢？其实也于select属于同一种模型，只是更高级一些，可以看作有了第4种模型的某些特性，如callback机制。

那么，为什么epoll,kqueue比select高级？

答案是，他们无轮询。因为他们用callback取代了。想想看，当套接字比较多的时候，每次select()都要通过遍历FD_SETSIZE个Socket来完成调度,不管哪个Socket是活跃的,都遍历一遍。这会浪费很多CPU时间。如果能给套接字注册某个回调函数，当他们活跃时，自动完成相关操作，那就避免了轮询，这正是epoll与kqueue做的。

windows or *nix （IOCP or kqueue/epoll）？

诚然，Windows的IOCP非常出色，目前很少有支持asynchronous I/O的系统，但是由于其系统本身的局限性，大型服务器还是在UNIX下。而且正如上面所述，kqueue/epoll 与 IOCP相比，就是多了一层从内核copy数据到应用层的阻塞，从而不能算作asynchronous I/O类。但是，这层小小的阻塞无足轻重，kqueue与epoll已经做得很优秀了。

提供一致的接口，IO Design Patterns

实际上，不管是哪种模型，都可以抽象一层出来，提供一致的接口，广为人知的有ACE,Libevent这些，他们都是跨平台的，而且他们自动选择最优的I/O复用机制，用户只需调用接口即可。说到这里又得说说2个设计模式，Reactor and Proactor。有一篇经典文章http://www.artima.com/articles/io_design_patterns.html值得阅读，Libevent是Reactor模型，ACE提供Proactor模型。实际都是对各种I/O复用机制的封装。

Java nio包是什么I/O机制？

我曾天真的认为java nio封装的是IOCP。。现在可以确定，目前的java本质是select()模型，可以检查/jre/bin/nio.dll得知。至于java服务器为什么效率还不错。。我也不得而知，可能是设计得比较好吧。。-_-。

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总结一些重点：

只有IOCP是asynchronous I/O，其他机制或多或少都会有一点阻塞。 select低效是因为每次它都需要轮询。但低效也是相对的，视情况而定，也可通过良好的设计改善 epoll, kqueue是Reacor模式，IOCP是Proactor模式。 java nio包是select模型。。

Reference:

http://www.artima.com/articles/io_design_patterns.html
http://hi.baidu.com/ailuoli/blog/item/f9fe370f0dee7bf1ab6457e7.html

https://www.dkcj.cn/info/29816.html

关于Blocking IO, Non-Blocking IO 和 Asynchronous I/O的理解

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