如何理解异步/同步 与 阻塞/非阻塞

Author: bugall
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一： 引言

在面试中我们会碰到这种场景：
面试官：能解释下什么是同步,异步么？

程序员：假如我们执行A,B两个IO操作的时候，如果必须等待A完成后才能执行B那么这个就是

同步的，如果A,B可以同时执行那么就是异步的。

面试官：那能解释下什么是阻塞什么是非阻塞么？

程序员：如果必须等待A完成后才能执行B那么这个就是阻塞的，如果A,B可以同时执行那么就 是非阻塞的

面试官：那你的意思异步/同步的概念与阻塞非阻塞一样了？

程序员：嗄。。。可以这么说吧。我觉得可以并发执行的就是异步非阻塞的。one by one执行 的就是同步阻塞的

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二：区分

每个人看去看同一个问题都会有不同的理解，原因就是因为每个人的看待问题的深度不一样，就像上面的对白，程
序员的理解只是停留在应用层面，代码里有多个IO操作，每个IO操作都可以不用互相等待的“同时”执行。

接下来我们就来探讨下异步/同步与阻塞/非阻塞它们其中的区别。

阻塞 / 非阻塞描述的是函数, 指访问某个函数时是否会阻塞线程(block)，导致线程进入阻塞状态。
同步 / 异步描述的是执行IO操作的主体是谁，同步是由用户态的进程自己去执行IO操作，异步是用户态进程不关心IO细节，由内核态进程去完成IO操作然后通知用户态进程。

好的，现在定义已经描述完了。现在可以区分它们之间的区别了么？(吃瓜群众：这TM的写的是什么？) ，别急，我们下面举栗说明，包教包会。

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三：举栗

一般来说IO分为两个阶段，第一阶段是等待数据阶段，第二阶段是内核空间的数据拷贝到用户空间，假设一个线程(或是进程)P准备执行一个IO操作的话它会经历以下过程：

第一阶段：

P发出一个IO请求，这时候会有两种情况：
1：立刻返回： 非阻塞
2：一直等待，P调用sleep/wait休眠或是挂起，让出CPU给别的线程/进程  阻塞

第二阶段：

这时内核的数据终于准备好了，
那么现在用户进程想要读取内核空间的数据有两种方式:
1:  P自己把数据从内核空间拷贝到用户空间       同步
2：P创建一个线程做数据copy的工作        异步

现在应该明白了吧。阻塞/非阻塞是针对IO的第一阶段的描述。异步/同步是针对IO的第二阶段的描述也就是IO的主体。

这里主要比较难理解的就是同步/异步。首先P在发起IO的请求的时候如果P本身还要负责IO请求后的数据copy(内核空间到用户空间)工作。那么我们就可以说是同步的。

如果P在发起IO操作后数据copy的工作由内核线程/进程或是P自己再创建一个线程/进程去完成，那么我们就可以称之为异步

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四：排列组合

同步阻塞IO：

• 同一个线程在操作IO时一直阻塞，直到读取数据成功，然后线程本身负责把数据从核心空间拷贝到用户空间

同步非阻塞：

• 同一个线程发起IO后，立即获得返回，后面定期轮询数据读取情况，发现数据读取成功，线程本身负责把数据从核心空间拷贝到用户空间

异步非阻塞：

• 一个线程发起IO后，立即返回，由另外的线程发现数据读取成功，把数据从核心空间拷贝到用户空间。

非阻塞同步IO由于读写方法非阻塞，并且需要用户自己来进行读写，所以每次调用读写方法实际读写的字节数是不确定的，所以需要一个Buffer来保存每次读写的字节状态。更重要的是用户不知道什么时候完成了读写，一般需要用
while循环判断Buffer的状态来跟踪读写。非阻塞异步IO由于是内核线程进行读写，并且在IO完成后会回调用户提供的callback，编程模型就比较简单，用户只需要调用读写，提供回调就可以了，比如 read(filename, callback)select / poll / epoll 从本质上说都是非阻塞同步IO，select会收到IO就绪的状态，然后通知用户去处理

IO，实际的IO操作还需要用户等待内核复制操作。

要理解IO就绪和完成的区别。就绪指的是还需要用户自己去处理，完成指的是内核帮助完成了，用户不用关心IO过

程，只需要提供回调函数。

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五：并行/并发与异步

并行

• 对多处理器而言--多个程序在同一时刻发生，具有并发的含义，但并发不一定并行，也亦是说并发事件之间不一定要同一时刻发生。

• 并行：在单处理器中多道程序设计系统中，进程被交替执行，表现出一种并发的外部特种；在多处理器系统中，进
  程不仅可以交替执行，而且可以重叠执行。在多处理器上的程序才可实现并行处理。计算机操作系统中把并行性和并发性明显区分开，主要是从微观的角度来说的，具体是指进程的并行性（多处理机的情况下，多个进程同时运行）和并发性（单处理机的情况下，多个进程在同一时间间隔运行的）

并发

对单处理器而言--多个程序在同一时间段发生；

• 并发中又有：互斥和同步：

  互斥：进程间相互排斥使用临界资源；比如写操作；
  
  同步：不是排斥关系而是依赖关系，前一个进程的输出是后一个进程的输入
  
  当第一个进程没有结束时第二个进程必须等待，相互协同完成一些事情；
  
  具有同步关系的一组进程并发时发送的消息称为消息或者事件；
  
  

• 同步和异步：

  异步：就是线程B在等待A的结果的时候还可以继续干自己的事儿，
  
  之间通过消息和事件来通知对方，提高了程序运行的效率。
  
  简而言之，就是不是站在那儿傻傻死等；异步和多线程并不是一回事，
  
  异步是最终目的，多线程只是实现的一种方法。