Linux【9】-进程管理1-6--同步、异步、阻塞与非阻塞

  • 同步和异步仅仅是关注的消息如何通知的机制(是自己等待结果,还是别人来通知)
  • 而阻塞与非阻塞关注的是等待消息通知时的状态(自己等待结果的过程,是否还干其他的)

一、同步与异步

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。

1.1 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。

1.2 消息通知

异步的概念和同步相对。当一个同步调用发出后,调用者要一直等待返回消息(结果)通知后,才能进行后续的执行;当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到返回消息(结果)。实际处理这个调用的部件在完成后,通过状态、通知和回调来通知调用者。

这里提到执行部件和调用者通过三种途径返回结果:状态、通知和回调。使用哪一种通知机制,依赖于执行部件的实现,除非执行部件提供多种选择,否则不受调用者控制。

  1. 如果执行部件用状态来通知,那么调用者就需要每隔一定时间检查一次,效率就很低(有些初学多线程编程的人,总喜欢用一个循环去检查某个变量的值,这其实是一种很严重的错误);
  2. 如果是使用通知的方式,效率则很高,因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数,其实和通知没太多区别。

1.3 场景比喻

举个例子,比如我去银行办理业务,可能会有两种方式:

  1. 选择排队等候;
  2. 另种选择取一个小纸条上面有我的号码,等到排到我这一号时由柜台的人通知我轮到我去办理业务了;

第一种:前者(排队等候)就是同步等待消息通知,也就是我要一直在等待银行办理业务情况;

第二种:后者(等待别人通知)就是异步等待消息通知。在异步消息处理中,等待消息通知者(在这个例子中就是等待办理业务的人)往往注册一个回调机制,在所等待的事件被触发时由触发机制(在这里是柜台的人)通过某种机制(在这里是写在小纸条上的号码,喊号)找到等待该事件的人。

二、阻塞与非阻塞

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。

2.1 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。

有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来,实际上它们是不同的。

  1. 对于同步调用来说,很多时候当前线程可能还是激活的,只是从逻辑上当前函数没有返回而已,此时,这个线程可能也会处理其他的消息。还有一点,在这里先扩展下:

    • 如果这个线程在等待当前函数返回时,仍在执行其他消息处理,那这种情况就叫做同步非阻塞;
    • 如果这个线程在等待当前函数返回时,没有执行其他消息处理,而是处于挂起等待状态,那这种情况就叫做同步阻塞;
    • 所以同步的实现方式会有两种:同步阻塞、同步非阻塞;同理,异步也会有两种实现:异步阻塞、异步非阻塞;
  2. 对于阻塞调用来说,则当前线程就会被挂起等待当前函数返回;

非阻塞和阻塞的概念相对应,指在不能立刻得到结果之前,该函数不会阻塞当前线程,而会立刻返回。虽然表面上看非阻塞的方式可以明显的提高CPU的利用率,但是也带了另外一种后果就是系统的线程切换增加。增加的CPU执行时间能不能补偿系统的切换成本需要好好评估。

2.2 场景比喻

继续上面的那个例子,不论是排队还是使用号码等待通知,如果在这个等待的过程中,等待者除了等待消息通知之外不能做其它的事情,那么该机制就是阻塞的,表现在程序中,也就是该程序一直阻塞在该函数调用处不能继续往下执行。

相反,有的人喜欢在银行办理这些业务的时候一边打打电话发发短信一边等待,这样的状态就是非阻塞的,因为他(等待者)没有阻塞在这个消息通知上,而是一边做自己的事情一边等待。

但是需要注意了,同步非阻塞形式实际上是效率低下的,想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有。如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话,这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换,效率可想而知是低下的;而异步非阻塞形式却没有这样的问题,因为打电话是你(等待者)的事情,而通知你则是柜台(消息触发机制)的事情,程序没有在两种不同的操作中来回切换。

三、同步/异步与阻塞/非阻塞

同步阻塞形式效率是最低的,

拿上面的例子来说,就是你专心排队,什么别的事都不做。

实际程序中:就是未对fd 设置O_NONBLOCK标志位的read/write 操作;

异步阻塞

异步阻塞形式如果在银行等待办理业务的人采用的是异步的方式去等待消息被触发(通知),也就是领了一张小纸条,假如在这段时间里他不能离开银行做其它的事情,那么很显然,这个人被阻塞在了这个等待的操作上面;

异步操作是可以被阻塞住的,只不过它不是在处理消息时阻塞,而是在等待消息通知时被阻塞。

比如select 函数,假如传入的最后一个timeout参数为NULL,那么如果所关注的事件没有一个被触发,程序就会一直阻塞在这个select 调用处。

同步非阻塞形式实际上是效率低下的

想象一下你一边打着电话一边还需要抬头看到底队伍排到你了没有,如果把打电话和观察排队的位置看成是程序的两个操作的话,这个程序需要在这两种不同的行为之间来回的切换,效率可想而知是低下的。

很多人会写阻塞的read/write 操作,但是别忘了可以对fd设置O_NONBLOCK 标志位,这样就可以将同步操作变成非阻塞的了。

异步非阻塞形式效率更高,

因为打电话是你(等待者)的事情,而通知你则是柜台(消息触发机制)的事情,程序没有在两种不同的操作中来回切换。

比如说,这个人突然发觉自己烟瘾犯了,需要出去抽根烟,于是他告诉大堂经理说,排到我这个号码的时候麻烦到外面通知我一下(注册一个回调函数),那么他就没有被阻塞在这个等待的操作上面,自然这个就是异步+非阻塞的方式了。

如果使用异步非阻塞的情况,比如aio_*组的操作,当发起一个aio_read操作时,函数会马上返回不会被阻塞,当所关注的事件被触发时会调用之前注册的回调函数进行处理。

很多人会把同步和阻塞混淆,我想是因为很多时候同步操作会以阻塞的形式表现出来,比如很多人会写阻塞的read/write操作,但是别忘了可以对fd设置O_NONBLOCK标志位,这样就可以将同步操作变成非阻塞的了。但最根本是因为没有区分这两个概念,比如阻塞的read/write操作中,其实是把消息通知机制和等待消息通知的状态结合在了一起,在这里所关注的消息就是fd是否可读/写,而等待消息通知的状态则是对fd可读/写等待过程中程序(线程)的状态。当我们将这个fd设置为非阻塞的时候,read/write操作就不会在等待消息通知这里阻塞,如果fd不可读/写则操作立即返回。

同样的,很多人也会把异步和非阻塞混淆,因为异步操作一般都不会在真正的IO操作处被阻塞,比如如果用select函数,当select返回可读时再去read一般都不会被阻塞,而是在select函数调用处阻塞。

四、小明的故事

对上面所讲的概念再次进行一个场景梳理,上面已经明确说明,同步/异步关注的是消息通知的机制,而阻塞/非阻塞关注的是程序(线程)等待消息通知时的状态。以小明下载文件打个比方,从这两个关注点来再次说明这两组概念,希望能够更好的促进大家的理解。

  1. 同步阻塞:小明一直盯着下载进度条,到 100% 的时候就完成。

    • 同步体现在:等待下载完成通知;
    • 阻塞体现在:等待下载完成通知过程中,不能做其他任务处理;
  2. 同步非阻塞:小明提交下载任务后就去干别的,每过一段时间就去瞄一眼进度条,看到 100% 就完成。

    • 同步体现在:等待下载完成通知;
    • 非阻塞体现在:等待下载完成通知过程中,去干别的任务了,只是时不时会瞄一眼进度条;【小明必须要在两个任务间切换,关注下载进度】
  3. 异步阻塞:小明换了个有下载完成通知功能的软件,下载完成就“叮”一声。不过小明仍然一直等待“叮”的声音(看起来很傻,不是吗)。

    • 异步体现在:下载完成“叮”一声通知;
    • 阻塞体现在:等待下载完成“叮”一声通知过程中,不能做其他任务处理;
  4. 异步非阻塞:仍然是那个会“叮”一声的下载软件,小明提交下载任务后就去干别的,听到“叮”的一声就知道完成了。

    • 异步体现在:下载完成“叮”一声通知;
    • 非阻塞体现在:等待下载完成“叮”一声通知过程中,去干别的任务了,只需要接收“叮”声通知即可;【软件处理下载任务,小明处理其他任务,不需关注进度,只需接收软件“叮”声通知,即可】

也就是说,同步/异步是“下载完成消息”通知的方式(机制),而阻塞/非阻塞则是在等待“下载完成消息”通知过程中的状态(能不能干其他任务),在不同的场景下,同步/异步、阻塞/非阻塞的四种组合都有应用。

所以,综上所述,同步和异步仅仅是关注的消息如何通知的机制,而阻塞与非阻塞关注的是等待消息通知时的状态。也就是说,同步的情况下,是由处理消息者自己去等待消息是否被触发,而异步的情况下是由触发机制来通知处理消息者,所以在异步机制中,处理消息者和触发机制之间就需要一个连接的桥梁

在银行的例子中,这个桥梁就是小纸条上面的号码。
在小明的例子中,这个桥梁就是软件“叮”的声音。

最后,请大家注意理解“消息通知机制”和“等待消息通知时的状态”这两个概念,这是理解四个概念的关键所在。

五、阻塞IO、非阻塞IO、同步IO、异步IO

5.1 基本概念

注意:咱们下面说的都是Linux环境下,跟Windows不一样哈~~~

5.1.1 用户空间和内核空间

现在操作系统都采用虚拟寻址,处理器先产生一个虚拟地址,通过地址翻译成物理地址(内存的地址),再通过总线的传递,最后处理器拿到某个物理地址返回的字节。

对32位操作系统而言,它的寻址空间(虚拟存储空间)为4G(2的32次方)。操作系统的核心是内核,独立于普通的应用程序,可以访问受保护的内存空间,也有访问底层硬件设备的所有权限。为了保证用户进程不能直接操作内核(kernel),保证内核的安全,操心系统将虚拟空间划分为两部分,一部分为内核空间,一部分为用户空间。针对linux操作系统而言,将最高的1G字节(从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF),供内核使用,称为内核空间,而将较低的3G字节(从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF),供各个进程使用,称为用户空间。

补充:地址空间就是一个非负整数地址的有序集合。如{0,1,2…}。

5.1.2 进程上下文切换(进程切换)

为了控制进程的执行,内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程,并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换(也叫调度)。因此可以说,任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的,是与内核紧密相关的。

从一个进程的运行转到另一个进程上运行,这个过程中经过下面这些变化:

  1. 保存当前进程A的上下文。

    • 上下文就是内核再次唤醒当前进程时所需要的状态,由一些对象(程序计数器、状态寄存器、用户栈等各种内核数据结构)的值组成。
    • 这些值包括描绘地址空间的页表、包含进程相关信息的进程表、文件表等。
  2. 切换页全局目录以安装一个新的地址空间。

  3. 恢复进程B的上下文。

可以理解成一个比较耗资源的过程。

5.1.3 进程的阻塞

  正在执行的进程,由于期待的某些事件未发生,如请求系统资源失败、等待某种操作的完成、新数据尚未到达或无新工作做等,则由系统自动执行阻塞原语(Block),使自己由运行状态变为阻塞状态。可见,进程的阻塞是进程自身的一种主动行为,也因此只有处于运行态的进程(获得CPU),才可能将其转为阻塞状态。当进程进入阻塞状态,是不占用CPU资源的。

5.1.4 文件描述符

文件描述符(File descriptor)是计算机科学中的一个术语,是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念。

文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上,它是一个索引值,指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时,内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中,一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统。

5.1.5 直接I/O和缓存I/O

缓存 I/O 又被称作标准 I/O,大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。在 Linux 的缓存 I/O 机制中,以write为例,数据会先被拷贝进程缓冲区,在拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会写到存储设备中。

缓存I/O的write:

直接I/O的write:(少了拷贝到进程缓冲区这一步)

write过程中会有很多次拷贝,直到数据全部写到磁盘

5.2 I/O模式

对于一次IO访问(这回以read举例),数据会先被拷贝到操作系统内核的缓冲区中,然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区,最后交给进程。所以说,当一个read操作发生时,它会经历两个阶段:

  1. 等待数据准备 (Waiting for the data to be ready)
  2. 将数据从内核拷贝到进程中 (Copying the data from the kernel to the process)

正式因为这两个阶段,linux系统产生了下面五种网络模式的方案:

  • 阻塞 I/O(blocking IO)
  • 非阻塞 I/O(nonblocking IO)
  • I/O 多路复用( IO multiplexing)
  • 信号驱动 I/O( signal driven IO)
  • 异步 I/O(asynchronous IO)

注:由于signal driven IO在实际中并不常用,所以我这只提及剩下的四种IO 模型。

5.2.1 block I/O模型(阻塞I/O)

阻塞I/O模型示意图:

read为例:

  1. 进程发起read,进行recvfrom系统调用;
  2. 内核开始第一阶段,准备数据(从磁盘拷贝到缓冲区),进程请求的数据并不是一下就能准备好;准备数据是要消耗时间的;
  3. 与此同时,进程阻塞(进程是自己选择阻塞与否),等待数据ing;
  4. 直到数据从内核拷贝到了用户空间,内核返回结果,进程解除阻塞。

也就是说,内核准备数据和数据从内核拷贝到进程内存地址这两个过程都是阻塞的。

5.2.2 non-block(非阻塞I/O模型)

可以通过设置socket使其变为non-blocking。当对一个non-blocking socket执行读操作时,流程是这个样子:

  1. 当用户进程发出read操作时,如果kernel中的数据还没有准备好;
  2. 那么它并不会block用户进程,而是立刻返回一个error,从用户进程角度讲 ,它发起一个read操作后,并不需要等待,而是马上就得到了一个结果;
  3. 用户进程判断结果是一个error时,它就知道数据还没有准备好,于是它可以再次发送read操作。一旦kernel中的数据准备好了,并且又再次收到了用户进程的system call;
  4. 那么它马上就将数据拷贝到了用户内存,然后返回。

所以,nonblocking IO的特点是用户进程在内核准备数据的阶段需要不断的主动询问数据好了没有。

5.2.3 I/O多路复用

I/O多路复用实际上就是用select, poll, epoll监听多个io对象,当io对象有变化(有数据)的时候就通知用户进程。好处就是单个进程可以处理多个socket。当然具体区别我们后面再讨论,现在先来看下I/O多路复用的流程:

1 .当用户进程调用了select,那么整个进程会被block; 2. 而同时,kernel会“监视”所有select负责的socket; 3. 当任何一个socket中的数据准备好了,select就会返回; 4.这个时候用户进程再调用read操作,将数据从kernel拷贝到用户进程。

  所以,I/O 多路复用的特点是通过一种机制一个进程能同时等待多个文件描述符,而这些文件描述符(套接字描述符)其中的任意一个进入读就绪状态,select()函数就可以返回。

  这个图和blocking IO的图其实并没有太大的不同,事实上,还更差一些。因为这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom),而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是,用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

  所以,如果处理的连接数不是很高的话,使用select/epoll的web server不一定比使用多线程 + 阻塞 IO的web server性能更好,可能延迟还更大。

  select/epoll的优势并不是对于单个连接能处理得更快,而是在于能处理更多的连接。)

  在IO multiplexing Model中,实际中,对于每一个socket,一般都设置成为non-blocking,但是,如上图所示,整个用户的process其实是一直被block的。只不过process是被select这个函数block,而不是被socket IO给block。

5.2.4 asynchronous I/O(异步 I/O)

真正的异步I/O很牛逼,流程大概如下:

  1. 用户进程发起read操作之后,立刻就可以开始去做其它的事。
  2. 而另一方面,从kernel的角度,当它受到一个asynchronous read之后,首先它会立刻返回,所以不会对用户进程产生任何block。
  3. 然后,kernel会等待数据准备完成,然后将数据拷贝到用户内存,当这一切都完成之后,kernel会给用户进程发送一个signal,告诉它read操作完成了。

5.2.5 小结

(1)blocking和non-blocking的区别

调用blocking IO会一直block住对应的进程直到操作完成,而non-blocking IO在kernel还准备数据的情况下会立刻返回。

(2)synchronous IO和asynchronous IO的区别

在说明synchronous IO和asynchronous IO的区别之前,需要先给出两者的定义。POSIX的定义是这样子的:

    - A synchronous I/O operation causes the requesting process to be blocked until that I/O operation completes;
    - An asynchronous I/O operation does not cause the requesting process to be blocked;

  两者的区别就在于synchronous IO做”IO operation”的时候会将process阻塞。按照这个定义,之前所述的blocking IO,non-blocking IO,IO multiplexing都属于synchronous IO。

有人会说,non-blocking IO并没有被block啊。这里有个非常“狡猾”的地方,定义中所指的”IO operation”是指真实的IO操作,就是例子中的recvfrom这个system call。non-blocking IO在执行recvfrom这个system call的时候,如果kernel的数据没有准备好,这时候不会block进程。但是,当kernel中数据准备好的时候,recvfrom会将数据从kernel拷贝到用户内存中,这个时候进程是被block了,在这段时间内,进程是被block的。

而asynchronous IO则不一样,当进程发起IO 操作之后,就直接返回再也不理睬了,直到kernel发送一个信号,告诉进程说IO完成。在这整个过程中,进程完全没有被block。

(3)non-blocking IO和asynchronous IO的区别

可以发现non-blocking IO和asynchronous IO的区别还是很明显的。

  • 在non-blocking IO中,虽然进程大部分时间都不会被block,但是它仍然要求进程去主动的check,并且当数据准备完成以后,也需要进程主动的再次调用recvfrom来将数据拷贝到用户内存。
  • 而asynchronous IO则完全不同。它就像是用户进程将整个IO操作交给了他人(kernel)完成,然后他人做完后发信号通知。在此期间,用户进程不需要去检查IO操作的状态,也不需要主动的去拷贝数据。

参考资料

个人公众号,比较懒,很少更新,可以在上面提问题,如果回复不及时,可发邮件给我: tiehan@sina.cn

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