彻底理解同步异步阻塞与非阻塞

本文深入解析了计算机编程中同步与异步、阻塞与非阻塞的概念,阐述了它们在系统调用、用户与内核空间交互中的作用。通过对比不同IO模型的特点,帮助读者理解在程序设计中如何选择合适的IO模型。

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前言

最近有同事问我同步异步与阻塞非阻塞有什么区别,后来发现很多同事不能区分这些概念。本篇文章主要想梳理一下计算机编程中的一些概念。

用户空间

用户空间就是用户进程可以直接访问的空间。用户的进程,就是你写的程序的执行实例,是生存在用户空间的。比如说,你在你的程序里声明的变量a,就被储存在用户空间。
在编程时,用户进程无法直接操作计算机硬件,与硬件发生IO,需要通过内核间接的操作。

内核空间

系统内核是可以与硬件交互的,它所生存的空间就是内核空间。为了使用户进程能够使用包括操纵计算计硬件等操作系统更底层的功能,内核会暴漏出一些接口给用户,这些接口是用户进程使用内核功能的唯一手段。

系统调用

用户进程使用内核暴漏的接口的行为,成为系统调用。外然系统调用也是由函数呈现的,但是它与普通的函数有明显的区别。系统调用会导致内核空间重的数据的存取和指令的执行,而普通函数却只能在用户空间中有所作为。

用户态
内核态
系统IO

用户进程不能直接访问数据,对于一次IO访问,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地址空间。只有系统调用的时候才会涉及到IO。

阻塞非阻塞

阻塞IO与非阻塞IO也是在系统调用的时候对系统调用的描述。
针对阻塞IO执行的系统调用可能因为无法立即完成而被操作系统挂起,直到等待的事件(数据成功返回)发生为止。
针对非阻塞IO执行的系统调用则总是立即返回,而不管事件是否已经发生。

同步异步

对于同步IO而言,用户可以直接对IO执行读写操作,这些操作告诉内核用户读写缓冲区的位置,以及IO操作完成之后内核通知应用程序的方式。
异步IO的读写操作总是立即返回的,而不论IO是否是阻塞的,因为真正的读写操作已经由内核接管。
也就是说,同步IO模型要求用户代码自行执行IO操作(将数据从内核缓冲区读入用户缓冲区,或将数据从用户缓冲区写入内核缓冲区),而异步IO机制则由内核来执行IO操作(数据在内核缓冲区和用户缓冲区之间的移动由内核在后台完成的)。你可以这样认为,同步IO向应用程序通知的是IO就绪事件,而异步IO向应用程序通知的是IO完成事件。

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