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迄今為止把同步/異步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO講的這麼清楚的好文章

來自:編程新說
網上有很多講同步/異步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO的文章,但是都沒有達到我的心裡預期,於是自己寫一篇出來。

 

 

常規的誤區

假設有一個展示用戶詳情的需求,分兩步,先呼叫一個HTTP接口拿到詳情資料,然後使用適合的視圖展示詳情資料。

如果網速很慢,代碼發起一個HTTP請求後,就卡住不動了,直到十幾秒後才拿到HTTP響應,然後繼續往下執行。

這個時候你問別人,剛剛代碼發起的這個請求是不是一個同步請求,對方一定回答是。這是對的,它確實是。

但你要問它為什麼是呢?對方一定是這樣回答的,“因為發起請求後,代碼就卡住不動了,直到拿到響應後才可以繼續往下執行”。

我相信很多人也都是這樣認為的,其實這是不對的,是把因果關係搞反了:

不是因為代碼卡住不動了才叫同步請求,而是因為它是同步請求所以代碼才卡住不動了。

至於為什麼能卡住不動,這是由操作系統和CPU決定的:

因為內核空間里的對應函式會卡住不動,造成用戶空間發起的系統呼叫卡住不動,繼而使程式里的用戶代碼卡住不動了。

因此卡住不動了只是同步請求的一個副作用,並不能用它來定義同步請求,那該如何定義呢?

同步和異步

所謂同步,指的是協同步調。既然叫協同,所以至少要有2個以上的事物存在。協同的結果就是:

多個事物不能同時進行,必須一個一個的來,上一個事物結束後,下一個事物才開始。

那當一個事物正在進行時,其它事物都在幹嘛呢?

嚴格來講這個並沒有要求,但一般都是處於一種“等待”的狀態,因為通常後面事物的正常進行都需要依賴前面事物的結果或前面事物正在使用的資源。

因此,可以認為,同步更希望關註的是從宏觀整體來看,多個事物是一種逐個逐個的串行化關係,絕對不會出現交叉的情況。

所以,自然也不太會去關註某個瞬間某個具體事物是處於一個什麼狀態。

把這個理論應用的出神入化的非“排隊”莫屬。凡是在資源少需求多的場景下都會用到排隊。

比如排隊買火車票這件事:

其實售票大廳更在意的是旅客一個一個的到視窗去買票,因為一次只能賣一張票。

即使大家一窩蜂的都圍上去,還是一次只能賣一張票,何必呢?擠在一起又不安全。

只是有些人素質太差,非要往上擠,售票大廳迫不得已,採用排隊這種形式來達到自己的目的,即一個一個的買票。

至於每個旅客排隊時的狀態,是看手機呀還是說話呀,根本不用去在意。

除了這種由於資源導致的同步外,還存在一種由於邏輯上的先後順序導致的同步。

比如,先更新代碼,然後再編譯,接著再打包。這些操作由於後一步要使用上一步的結果,所以只能按照這種順序一個一個的執行。

關於同步還需知道兩個小的點:

一是範圍,並不需要在全域性範圍內都去同步,只需要在某些關鍵的點執行同步即可。

比如食堂只有一個賣飯視窗,肯定是同步的,一個人買完,下一個人再買。但吃飯的時候也是一個人吃完,下一個人才開始吃嗎?當然不是啦。

二是粒度,並不是只有大粒度的事物才有同步,小粒度的事物也有同步。

 

只不過小粒度的事物同步通常是天然支持的,而大粒度的事物同步往往需要手工處理。

比如兩個執行緒的同步就需要手工處理,但一個執行緒里的兩個陳述句天然就是同步的。

所謂異步,就是步調各異。既然是各異,那就是都不相同。所以結果就是:

多個事物可以你進行你的、我進行我的,誰都不用管誰,所有的事物都在同時進行中。

 

一言以蔽之,同步就是多個事物不能同時開工,異步就是多個事物可以同時開工。

 

註:一定要去體會“多個事物”,多個執行緒是多個事物,多個方法是多個事物,多個陳述句是多個事物,多個CPU指令是多個事物。等等等等。

 

 

阻塞和非阻塞

 

 

所謂阻塞,指的是阻礙堵塞。它的本意可以理解為由於遇到了障礙而造成的動彈不得。

 

所謂非阻塞,自然是和阻塞相對,可以理解為由於沒有遇到障礙而繼續暢通無阻。

對這兩個詞最好的詮釋就是,當今中國一大交通難題,堵車:

汽車可以正常通行時,就是非阻塞。一旦堵上了,全部趴窩,一動不動,就是阻塞。

 

因此阻塞關註的是不能動,非阻塞關註的是可以動。

 

不能動的結果就是只能等待,可以動的結果就是繼續前行。

因此和阻塞搭配的詞一定是等待,和非阻塞搭配的詞一定是進行。

回到程式里,阻塞同樣意味著停下來等待,非阻塞表明可以繼續向下執行。

阻塞和等待

 

 

等待只是阻塞的一個副作用而已,表明隨著時間的流逝,沒有任何有意義的事物發生或進行。

 

阻塞的真正含義是你關心的事物由於某些原因無法繼續進行,因此讓你等待。但沒必要乾等,你可以做一些其它無關的事物,因為這並不影響你對相關事物的等待。

在堵車時,你可以乾等。也可以玩手機、和別人聊天,或者打牌、甚至先去吃飯都行。因為這些事物並不影響你對堵車的等待。不過你的車必須獃在原地。

在計算機里,是沒有人這麼靈活的,一般在阻塞時,選在乾等,因為這最容易實現,只需要掛起執行緒,讓出CPU即可。在條件滿足時,會重新調度該執行緒。

兩兩組合

所謂同步/異步,關註的是能不能同時開工

所謂阻塞/非阻塞,關註的是能不能動

通過推理進行組合:

同步阻塞,不能同時開工,也不能動。只有一條小道,一次只能過一輛車,可悲的是還TMD的堵上了。

同步非阻塞,不能同時開工,但可以動。只有一條小道,一次只能過一輛車,幸運的是可以正常通行。

異步阻塞,可以同時開工,但不可以動。有多條路,每條路都可以跑車,可氣的是全都TMD的堵上了。

異步非阻塞,可以工時開工,也可以動。有多條路,每條路都可以跑車,很爽的是全都可以正常通行。

是不是很容易理解啊。其實它們的關註點是不同的,只要搞明白了這點,組合起來也不是事兒。

回到程式里,把它們和執行緒關聯起來:

同步阻塞,相當於一個執行緒在等待。

同步非阻塞,相當於一個執行緒在正常運行。

異步阻塞,相當於多個執行緒都在等待。

異步非阻塞,相當於多個執行緒都在正常運行。

 

 

I/O

 

 

IO指的就是讀入/寫出資料的過程,和等待讀入/寫出資料的過程。一旦拿到資料後就變成了資料操作了,就不是IO了。

拿網絡IO來說,等待的過程就是資料從網絡到網卡再到內核空間。讀寫的過程就是內核空間和用戶空間的相互拷貝。

 

所以IO就包括兩個過程,一個是等待資料的過程,一個是讀寫(拷貝)資料的過程。而且還要明白,一定能包括運算元據的過程。

 

 

阻塞IO和非阻塞IO

 

 

應用程式都是運行在用戶空間的,所以它們能操作的資料也都在用戶空間。按照這樣子來理解,只要資料沒有到達用戶空間,用戶執行緒就操作不了。

 

如果此時用戶執行緒已經參與,那它一定會被阻塞在IO上。這就是常說的阻塞IO。用戶執行緒被阻塞在等待資料上或拷貝資料上。

 

非阻塞IO就是用戶執行緒不參與以上兩個過程,即資料已經拷貝到用戶空間後,才去通知用戶執行緒,一上來就可以直接運算元據了。

 

用戶執行緒沒有因為IO的事情出現阻塞,這就是常說的非阻塞IO。

 

 

同步IO和同步阻塞IO

 

 

按照上文中對同步的理解,同步IO是指發起IO請求後,必須拿到IO的資料才可以繼續執行。

按照程式的表現形式又分為兩種:

在等待資料的過程中,和拷貝資料的過程中,執行緒都在阻塞,這就是同步阻塞IO。

在等待資料的過程中,執行緒採用死迴圈式輪詢,在拷貝資料的過程中,執行緒在阻塞,這其實還是同步阻塞IO。

 

網上很多文章把第二種歸為同步非阻塞IO,這肯定是錯誤的,它一定是阻塞IO,因為拷貝資料的過程,執行緒是阻塞的。

嚴格來講,在IO的概念上,同步和非阻塞是不可能搭配的,因為它們是一對相悖的概念。

同步IO意味著必須拿到IO的資料,才可以繼續執行。因為後續操作依賴IO資料,所以它必須是阻塞的。

非阻塞IO意味著發起IO請求後,可以繼續往下執行。說明後續執行不依賴於IO資料,所以它肯定不是同步的。

因此,在IO上,同步非阻塞互斥的,所以不存在同步非阻塞IO但同步非阻塞是存在的,那不叫IO,叫運算元據了。

 

所以,同步IO一定是阻塞IO,同步IO也就是同步阻塞IO。

 

 

異步IO和異步阻塞/非阻塞IO

 

 

按照上文中對異步的理解,異步IO是指發起IO請求後,不用拿到IO的資料就可以繼續執行。

 

用戶執行緒的繼續執行,和操作系統準備IO資料的過程是同時進行的,因此才叫做異步IO。

按照IO資料的兩個過程,又可以分為兩種:

在等待資料的過程中,用戶執行緒繼續執行,在拷貝資料的過程中,執行緒在阻塞,這就是異步阻塞IO。

在等待資料的過程中,和拷貝資料的過程中,用戶執行緒都在繼續執行,這就是異步非阻塞IO。

 

第一種情況是,用戶執行緒沒有參與資料等待的過程,所以它是異步的。但用戶執行緒參與了資料拷貝的過程,所以它又是阻塞的。合起來就是異步阻塞IO。

第二種情況是,用戶執行緒既沒有參與等待過程也沒有參與拷貝過程,所以它是異步的。當它接到通知時,資料已經準備好了,它沒有因為IO資料而阻塞過,所以它又是非阻塞的。合起來就是異步非阻塞IO。

 

PS:聰明的你或許發現了我沒有提多路復用IO,因為它值得專門撰文一篇。

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