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【面試】迄今為止把同步/異步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO講的這么清楚的好文章(快快珍藏)

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里預期,于是自己寫一篇出來。



常規的誤區


假設有一個展示用戶詳情的需求,分兩步,先調用一個HTTP接口拿到詳情數據,然后使用適合的視圖展示詳情數據。

如果網速很慢,代碼發起一個HTTP請求后,就卡住不動了,直到十幾秒后才拿到HTTP響應,然后繼續往下執行。

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。

但你要問它為什么是呢?對方一定是這樣回答的,“
因為發起請求后,代碼就卡住不動了,直到拿到響應后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,是把因果關系搞反了:

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。

至于為什么能卡住不動,這是由操作系統和CPU決定的:

因為內核空間里的對應函數會卡住不動,造成用戶空間發起的系統調用卡住不動,繼而使程序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,并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,上一個事物結束后,下一個事物才開始。

那當一個事物正在進行時,其它事物都在干嘛呢?

嚴格來講這個并沒有要求,但一般都是處于一種“等待”的狀態,因為通常后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,同步更希望關注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系,絕對不會出現交叉的情況。

所以,自然也不太會去關注某個瞬間某個具體事物是處于一個什么狀態。

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窗口去買票,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,采用排隊這種形式來達到自己的目的,即一個一個的買票。

至于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。

除了這種由于資源導致的同步外,還存在一種由于邏輯上的先后順序導致的同步。

比如,先更新代碼,然后再編譯,接著再打包。這些操作由于后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。

關于同步還需知道兩個小的點:

一是范圍,并不需要在全局范圍內都去同步,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窗口,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,并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。

比如兩個線程的同步就需要手工處理,但一個線程里的兩個語句天然就是同步的。

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。


注:一定要去體會“多個事物”,多個線程是多個事物,多個方法是多個事物,多個語句是多個事物,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于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,可以理解為由于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。


因此阻塞關注的是不能動,非阻塞關注的是可以動。


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。

回到程序里,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于某些原因無法繼續進行,因此讓你等待。但沒必要干等,你可以做一些其它無關的事物,因為這并不影響你對相關事物的等待。

在堵車時,你可以干等。也可以玩手機、和別人聊天,或者打牌、甚至先去吃飯都行。因為這些事物并不影響你對堵車的等待。不過你的車必須呆在原地。

在計算機里,是沒有人這么靈活的,一般在阻塞時,選在干等,因為這最容易實現,只需要掛起線程,讓出CPU即可。在條件滿足時,會重新調度該線程。


兩兩組合


所謂同步/異步,關注的是
能不能同時開工

所謂阻塞/非阻塞,關注的是
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。
其實它們的關注點是不同的,只要搞明白了這點,組合起來也不是事兒。

回到程序里,把它們和線程關聯起來:

同步阻塞,相當于一個線程在等待。

同步非阻塞,相當于一個線程在正常運行。

異步阻塞,相當于多個線程都在等待。

異步非阻塞,相當于多個線程都在正常運行。



I/O



IO指的就是讀入/寫出數據的過程,和等待讀入/寫出數據的過程。一旦拿到數據后就變成了數據操作了,就不是IO了。

拿網絡IO來說,等待的過程就是數據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,一個是等待數據的過程,一個是讀寫(拷貝)數據的過程。而且還要明白,一定能包括操作數據的過程。



阻塞IO和非阻塞IO



應用程序都是運行在用戶空間的,所以它們能操作的數據也都在用戶空間。按照這樣子來理解,只要數據沒有到達用戶空間,用戶線程就操作不了。


如果此時用戶線程已經參與,那它一定會被阻塞在IO上。這就是常說的阻塞IO。用戶線程被阻塞在等待數據上或拷貝數據上。


非阻塞IO就是用戶線程不參與以上兩個過程,即數據已經拷貝到用戶空間后,才去通知用戶線程,一上來就可以直接操作數據了。


用戶線程沒有因為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請求后,必須拿到IO的數據才可以繼續執行。

按照程序的表現形式又分為兩種:

在等待數據的過程中,和拷貝數據的過程中,線程都在阻塞,這就是同步阻塞IO。

在等待數據的過程中,線程采用死循環式輪詢,在拷貝數據的過程中,線程在阻塞,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,因為拷貝數據的過程,線程是阻塞的。

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的數據,才可以繼續執行。因為后續操作依賴IO數據,所以它必須是阻塞的。

非阻塞IO意味著發起IO請求后,可以繼續往下執行。說明后續執行不依賴于IO數據,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,叫操作數據了。


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請求后,不用拿到IO的數據就可以繼續執行。


用戶線程的繼續執行,和操作系統準備IO數據的過程是同時進行的,因此才叫做異步IO。

按照IO數據的兩個過程,又可以分為兩種:

在等待數據的過程中,用戶線程繼續執行,在拷貝數據的過程中,線程在阻塞,這就是異步阻塞IO。

在等待數據的過程中,和拷貝數據的過程中,用戶線程都在繼續執行,這就是異步非阻塞IO。


第一種情況是,用戶線程沒有參與數據等待的過程,所以它是異步的。但用戶線程參與了數據拷貝的過程,所以它又是阻塞的。合起來就是異步阻塞IO。

第二種情況是,用戶線程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,數據已經準備好了,它沒有因為IO數據而阻塞過,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。


(END)


作者是工作超過10年的碼農,現在任架構師。喜歡研究技術,崇尚簡單快樂。追求以通俗易懂的語言解說技術,希望所有的讀者都能看懂并記住。下面是公眾號和知識星球的二維碼,歡迎關注!

       

posted on 2019-05-05 09:31  編程新說(李新杰)  閱讀(20842)  評論(86編輯  收藏

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