同步与异步（使用资源阶段）

首先来解释同步和异步的概念，这两个概念与消息的通知机制有关。也就是同步与异步主要是从消息通知机制角度来说的。

概念描述

所谓同步就是一个任务的完成需要依赖另外一个任务时，只有等待被依赖的任务完成后，依赖的任务才能算完成，这是一种可靠的任务序列。要么成功都成功，失败都失败，两个任务的状态可以保持一致。

所谓异步是不需要等待被依赖的任务完成，只是通知被依赖的任务要完成什么工作，依赖的任务也立即执行，只要自己完成了整个任务就算完成了。至于被依赖的任务最终是否真正完成，依赖它的任务无法确定，所以它是不可靠的任务序列。

阻塞与非阻塞（等待资源阶段）

阻塞和非阻塞这两个概念与程序（线程）等待消息通知（无所谓同步或者异步）时的状态有关。也就是说阻塞与非阻塞主要是程序（线程）等待消息通知时的状态角度来说的。

概念描述

阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，一直处于等待消息通知，不能够执行其他业务。函数只有在得到结果之后才会返回。

小结

同步与异步是调用方法外部的概念，等待返回结果就是同步，不等待就是异步。

阻塞与非阻塞是调用方法内部的概念，当前线程没有执行其他操作就是阻塞，执行其他的就是非阻塞。

I/O 模型

操作系统将寻址空间（虚拟存储空间）分为两部分，内核空间和用户空间。

I/O 多路复用：同步阻塞，可以监听多个 socket 状态

服务器通信过程分析

这个过程中，存在两种类型操作：

• CPU 计算/业务处理（CPU 密集型）

• IO 操作与等待/网络、磁盘、数据库（IO 密集型）

用户态与内核态

用户空间：应用程序

内核空间：操作系统内部空间

五种 IO 模型

阻塞式 IO（Blocking，BIO）

建立连接后，此时不能再接收其他客户端的连接请求，只能等待当前操作执行完成。

可以通过多线程来支持多个客户端的连接。

小明去咖啡店买咖啡，小明在柜台等着（同步），服务员守着咖啡，煮好了才送上来（阻塞）。

比较节省 CPU 资源，但是线程休眠会有上下文切换。

同步非阻塞式 IO（Non-Blocking IO，NIO）

和阻塞 IO 类比，内核会立即返回，返回后获得足够的 CPU 时间继续做其它的事情。

用户进程第一个阶段不是阻塞的，需要不断的主动询问 kernel 数据好了没有；第二个阶段依然总是阻塞的。

小明在柜台等着（同步），服务员不断去看咖啡好没好，煮好了就送上来（非阻塞）。

多路复用 IO（Multiplexing IO），或事件驱动 IO（event-driven IO）

在单个线程里同时监控多个套接字，通过 select 或 poll 轮询所负责的所有 socket，当某个 socket 有数据到达了，就通知用户进程。

进程先是阻塞在 select/poll 上，再是阻塞在读操作的第二个阶段上。

与 BIO 不同的是，内核使用 select 替代请求进程该做的轮询操作。

小明在柜台等着（同步），服务员让后厨不断去看咖啡好没好，服务员不能接待其他人。轮询哪一壶咖啡煮好了（多路复用），后厨通知服务员，服务员送上来。

好处是可以在同一条阻塞线程上处理多个不同端口的监听。

• select 就是轮询，在 Linux 上限制个数一般为 1024 个

• poll 解决了 select 的个数限制，但是依然是轮询

• epoll 解决了个数的限制，同时解决了轮询的方式

select/poll 的几大缺点： （1）每次调用 select，都需要把 fd 集合从用户态拷贝到内核态，这个开销在 fd 很多时会很大 （2）同时每次调用 select 都需要在内核遍历传递进来的所有 fd，这个开销在 fd 很多时也很大 （3）select 支持的文件描述符数量太小了，默认是 1024

epoll（Linux 2.5.44 内核中引入，2.6 内核正式引入，可被用于代替 POSIX select 和 poll 系统调用）： （1）内核与用户空间共享一块内存 （2）通过回调解决遍历问题 （3）fd 没有限制，可以支撑 10 万连接

信号驱动 IO（Signal-Driven IO）

信号驱动 IO 与 BIO 和 NIO 最大的区别就在于，在 IO 执行的数据准备阶段，不会阻塞用户进程（此时用户进程处理其他事情）。

信号驱动 IO 收到的通知时可以进行复制操作（阶段 2），异步 IO 收到的通知是复制操作已完成。

小明在柜台等着（同步），服务员让后厨不断去看咖啡好没好，服务员去接待其他客人，后厨通知服务员咖啡煮好了（发送信号），服务员送上来（非阻塞）。

可以去了解一下 线程池→EDA→SEDA（Staged Event-Driven Architecture）

异步非阻塞式 IO（Asynchronous IO，AIO）

用户进程发出系统调用后立即返回，内核等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户进程缓冲区，然后发送信号告诉用户进程 IO 操作执行完毕（与 SIGIO 相比，一个是发送信号告诉用户进程数据准备完毕，一个是 IO 执行完毕）。

小明点完单在座位上玩（异步），服务员让后厨不断去看咖啡好没好，服务员去接待其他客人，后厨通知服务员咖啡煮好了（发送信号），服务员送上来（非阻塞）。

Windows 下的是 IOCP 模型。