Linux通信总结——阻塞/非阻塞、同步/异步、IO模型

1.阻塞/非阻塞，同步/异步

• 一次典型的IO包括两个阶段：数据就绪和数据读写
• 数据就绪阶段：阻塞和非阻塞
• 阻塞：数据还没到达之前，调用IO方法的线程会挂起（并不占用CPU资源）
• 非阻塞：不会改变线程的状态，会通过返回值判断缓冲区是否有数据传来 int size = recv(sockfd, buf, 1024, 0);
• size = -1，读取出错（但是要特殊判断下列3种情况：EINTR，EAGAIN，EWOULDBLOCK）
• size = 0，读取到数据末尾，或者对方连接关闭
• size > 0，读取到多少数据
• 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API的才是异步IO。
• 数据读写阶段：同步和异步
• 同步：A向B请求调用网络IO接口时，数据的读写都是由请求方A自己完成
• 异步：...，A向B传入请求的事件以及事件发生时通知的方式，A就可以处理其他业务逻辑了，当B监听到事件处理完成之后，会用事先约定好的通知方式，通知A处理结果。
• Linux异步IO接口 aio_read()，aio_write()
• 同步的意思就是当调用一个I/O syscall后，直到有确定结果返回后，应用程序都是被阻塞的内核态，时间片被换出，完全卡住不能运行。异步就是调用完syscall后，不存在任何阻塞内核态，应用程序继续执行直到时间片用完。
• 全异步控制非常困难并且要求很高，现在常用的是同步非阻塞，这里面也是使用同步调用read/write，但是fd是非阻塞的，这时候调用这两个syscall只会短暂的切换到内核态如果没有数据会立刻返回给应用EAGAIN，这样应用可以选择等一会再来一次，或者等待EPOLL的事件之后再来一次。这种方式被广泛用于现在主流的各种服务器的网络socket操作，反向代理等等软件上比如nginx。为什么只有socket操作用会比较好呢，因为网络操作底层kernel都是在处理buffer，小规模的操作并不会导致太大的延迟，所以返回都比较快，不会造成很大延迟。
• 需要注意这时候调用read的时候也会产生上下文切换，这时候严格说也是阻塞的，但是阻塞时间非常短。
• 全异步的aio_read不存在这个短暂时间，效率更高，但是也更难控制，因为需要自己处理流程和buffer的问题，非常难搞。这个一般用于即使较小的规模的I/O操作也可能造成很大延时的操作，典型的就是磁盘读写。例子就是nginx的读文件的操作。

2.IO模型

• 阻塞IO
• 调用者调用了某个函数，等待这个函数返回，期间什么都不做，不停检查这个函数有没有返回，必须等该函数返回才能进行下一步动作。

（阻塞IO）

• 非阻塞IO
• 每隔一段时间去检测IO时间是否就绪，没有就绪就可以进行其他操作。
• 非阻塞IO执行系统调用总是立即返回，不管事件是否已经发生，若没发生则返回-1，此时根据errno区分两种情况，对于accept、recv和send，事件未发生时，errno被设置为EAGAIN。

（非阻塞IO）

• IO复用
• select、poll、epoll函数实现，这些函数也会使进程阻塞，但是和阻塞IO不同的是，这些函数可以同时阻塞多个IO操作。
• 可以同时对多个读操作、写操作的IO函数进行检测，直到有数据可读或可写时，才真正调用IO操作函数。

（IO复用）

• 信号驱动IO
• 注册新号处理函数，进程继续运行并不阻塞，当IO事件就绪时，进程受到SIGIO新号，然后处理IO事件。
• 内核在第一个阶段是异步，在第二个阶段是同步。
• 与非阻塞IO的区别在于它提供了消息通知机制，不需要用户进程不断的轮询检查，减少了系统API的调用次数，提高了效率。

（信号驱动IO）

• 异步IO
• LInux中，调用aio_read函数告诉内核描述字缓冲区指针和缓冲区大小 、文件偏移及通知的方式，然后立即返回，当内核将数据拷贝到缓冲区后，再通知应用程序。

（异步IO）