同步IO 异步IO

本文详细解释了计算机系统中的IO模型,包括同步与异步IO、阻塞与非阻塞IO的概念,以及IO多路复用的工作原理。文章还对比了不同IO模型的特点,并介绍了网络编程中的常见模型。

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IO基本概念
Linux的内核将所有外部设备都可以看做一个文件来操作。那么我们对与外部设备的操作都可以看做对文件进行操作。我们对一个文件的读写,都通过调用内核提供的系统调用;内核给我们返回一个file descriptor(fd,文件描述符)。对一个socket的读写也会有相应的描述符,称为socketfd(socket描述符)。描述符就是一个数字(可以理解为一个索引),指向内核中一个结构体(文件路径,数据区,等一些属性)。应用程序对文件的读写就通过对描述符的读写完成。 
一个基本的IO,它会涉及到两个系统对象,一个是调用这个IO的进程对象,另一个就是系统内核(kernel)。

一般来说,服务器端的I/O主要有两种情况:一是来自网络的I/O;二是对文件(设备)的I/O。
首先一个IO操作其实分成了两个步骤:发起IO请求和实际的IO操作,

同步IO和异步IO的区别就在于第二个步骤是否阻塞,如果实际的IO读写阻塞请求进程,那么就是同步IO,因此阻塞IO、非阻塞IO、IO复用、信号驱动IO都是同步IO,如果不阻塞,而是操作系统帮你做完IO操作再将结果返回给你,那么就是异步IO。

阻塞IO和非阻塞IO的区别在于第一步,发起IO请求是否会被阻塞,如果阻塞直到完成那么就是传统的阻塞IO,如果不阻塞,那么就是非阻塞IO。

当一个read操作发生时,会经过如下流程:
通过read系统调用想内核发起读请求。
内核向硬件发送读指令,并等待读就绪。
内核把将要读取的数据复制到描述符所指向的内核缓存区中。
将数据从内核缓存区拷贝到用户进程空间中。

同步:所谓同步,就是在发出一个功能调用时,在没有得到结果之前,该调用就不返回。

异步:异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后,调用者不能立刻得到结果。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。

同步IO和异步IO是针对应用程序和内核的交互而言的。
同步IO指的是用户进程触发I/O操作并等待或者轮询的去查看I/O操作是否就绪。
异步IO是指用户进程触发I/O操作以后就立即返回,继续开始做自己的事情,而当I/O操作已经完成的时候会得到I/O完成的通知。

同步IO在读取数据时,都要在同步流程中进行一次内核态到用户态的数据拷贝。
异步IO需要操作系统更强的支持,操作系统开启独立的内核线程去处理IO操作。当read请求的数据到达时,由内核负责读取socket中的数据,并写入用户指定的缓冲区中,最后内核通知用户线程。异步IO接受到内核通知时,已经完成了内核态到用户态的数据拷贝。

IO多路复用

用户首先将需要进行IO操作的socket添加到select中,然后阻塞等待select系统调用返回。当数据到达时,socket被激活,select函数返回。用户线程正式发起read请求,读取数据并继续执行。

从流程上来看,使用select函数进行IO请求和同步阻塞模型没有太大的区别,甚至还多了添加监视socket,以及调用select函数的额外操作,效率更差。但是,使用select以后最大的优势是用户可以在一个线程内同时处理多个socket的IO请求。用户可以注册多个socket,然后不断地调用select读取被激活的socket,即可达到在同一个线程内同时处理多个IO请求的目的。而在同步阻塞模型中,必须通过多线程的方式才能达到这个目的。

IO多路复用方式允许单线程内处理多个IO请求,但是每个IO请求的过程还是阻塞的(在select函数上阻塞),平均时间甚至比同步阻塞IO模型还要长。如果用户线程只注册自己感兴趣的socket或者IO请求,然后去做自己的事情,等到数据到来时再进行处理,则可以提高CPU的利用率。

由于select函数是阻塞的,因此多路IO复用模型也被称为异步阻塞IO模型。注意,这里的所说的阻塞是指select函数执行时线程被阻塞,而不是指socket。一般在使用IO多路复用模型时,socket都是设置为NONBLOCK的,不过这并不会产生影响,因为用户发起IO请求时,数据已经到达了,用户线程一定不会被阻塞。

IO多路复用是最常使用的IO模型,但是其异步程度还不够“彻底”,因为它使用了会阻塞线程的select系统调用。因此IO多路复用只能称为异步阻塞IO,而非真正的异步IO。

“真正”的异步IO需要操作系统更强的支持。在IO多路复用模型中,事件循环将文件句柄的状态事件通知给用户线程,由用户线程自行读取数据、处理数据。而在异步IO模型中,当用户线程收到通知时,数据已经被内核读取完毕,并放在了用户线程指定的缓冲区内,内核在IO完成后通知用户线程直接使用即可。

异步IO

用户线程直接使用内核提供的异步IO API发起read请求,且发起后立即返回,继续执行用户线程代码。不过此时用户线程已经将调用的AsynchronousOperation和CompletionHandler注册到内核,然后操作系统开启独立的内核线程去处理IO操作。当read请求的数据到达时,由内核负责读取socket中的数据,并写入用户指定的缓冲区中。最后内核将read的数据和用户线程注册的CompletionHandler分发给内部Proactor,Proactor将IO完成的信息通知给用户线程(一般通过调用用户线程注册的完成事件处理函数),完成异步IO。

五种IO的模型:阻塞IO、非阻塞IO、多路复用IO、信号驱动IO和异步IO
前四种都是同步IO,在内核数据copy到用户空间时都是阻塞的。 
最后一种是异步IO,通过API把IO操作交由操作系统处理,当前进程不关心具体IO的实现,通过回调函数,或者信号量通知当前进程直接对IO返回结果进行处理。

网络编程模型:

1.同步阻塞模型
2.多进程并发模型
3.多线程并发模型
4.IO多路复用(事件驱动)模型

<think>首先,用户的问题是:“我想理解同步异步IO的区别及应用场景 请问同步IO异步IO区别以及各自适用的场景”。所以,我需要基于系统指令和提供的引用来回答。 系统指令包括: - 所有行内数学表达式必须使用 $...$ 格式。 - 独立公式使用 $$...$$ 格式并单独成段。 - LaTeX 语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 回答中引用的段落末尾自然地添加引用标识,例如 [^1]。 此外,回答结构要清晰,帮助用户逐步解决问题,保证真实可靠。 提供的引用是关于同步IO异步IO的区别和应用场景: - 引用[1]: 解释了同步IO异步IO的区别,CPU参与方式,应用场景,并发数量、接收字节数、处理请求所需CPU时间的影响。还描述了同步阻塞IO同步非阻塞IO异步非阻塞IO的例子。 - 引用[2]: 讨论了Linux中同步IO异步IO,强调内核空间到用户空间的数据转移。 - 引用[3]: 定义了同步IO异步IO,提供了水塔的例子。 - 引用[4]: 指出选择同步异步IO取决于需求和环境,异步IO在I/O操作是瓶颈时提升性能。 - 引用[5]: 比较了五种IO模型,包括阻塞I/O、非阻塞I/O、I/O多路复用、信号驱动I/O、异步I/O,并总结了异步IO同步IO的区别。 我需要整合这些信息,构建一个清晰的回答结构。 回答结构: 1. **介绍同步IO异步IO的基本概念**:简要定义。 2. **解释核心区别**:重点在CPU参与方式、阻塞行为。 3. **详细描述工作机制**:使用例子或伪代码。 4. **讨论应用场景**:基于并发、数据大小、CPU时间等因素。 5. **总结比较**:表格或列表形式。 6. **生成相关问题**:在最后添加相关问题。 由于系统指令要求生成相关问题,我需要在回答末尾添加。 数学表达式:问题中没有明显的数学内容,但如果有,比如在描述性能时,可能需要使用LaTeX。例如,如果提到时间复杂度,可以用行内数学表达式。但在这个主题中,可能不涉及数学,所以我会避免不必要的数学。 引用标识:在回答中引用段落时,在末尾添加 [^1]、[^2] 等。参考提供的引用,我需要自然地融入。 现在,构建回答大纲: - **开头**:直接回答问题,定义同步异步IO。 - **区别部分**: - 同步IO:用户进程触发IO并等待或轮询,直到操作完成。 - 异步IO:用户进程触发IO后立即返回,内核完成操作后通知。 - **工作机制**: - 同步阻塞IO:如 read() 阻塞。 - 同步非阻塞IO:如轮询。 - 异步IO:如回调或通知。 - **应用场景**: - 同步IO适合简单、低并发任务。 - 异步IO适合高并发、大数据传输、高吞吐系统。 - **总结**:基于引用[5]的表格,比较不同IO模型。 - **相关问题**:生成3-5个相关问题。 生成相关问题: 1. 同步IO在哪些实际系统中常用? 2. 异步IO的实现机制是什么? 3. 如何在高并发系统中选择IO模型? 4. 同步IO异步IO的性能差异如何量化? 5. 异步IO在数据库中的应用是什么? 确保回答真实可靠:基于提供的引用和常识。 最后,用中文回答。</think>### 同步IO异步IO的区别及应用场景 同步IO异步IO是计算机系统中处理输入输出(I/O)操作的两种基本模式,它们在CPU参与方式、阻塞行为和应用场景上存在本质差异。下面我将逐步解释它们的区别、工作机制,并基于实际因素分析适用场景,确保回答清晰可靠。内容参考了权威资料[^1][^2][^3]。 #### 1. **基本定义与核心区别** - **同步IO**:用户进程(或线程)触发I/O操作后,必须等待或轮询操作完成,才能继续执行后续代码。CPU在操作过程中被主动占用,导致进程可能被阻塞。例如: - 同步阻塞IO:如调用 `read()` 时,如果内核缓冲区无数据,进程会完全停止,直到数据就绪[^1][^3]。 - 同步非阻塞IO:进程通过循环轮询检查I/O状态,避免完全阻塞,但浪费CPU资源[^1][^5]。 - **异步IO**:用户进程触发I/O操作后立即返回,不等待结果;内核在后台完成操作后,通过回调、信号或事件通知进程。CPU在等待期间不被占用,进程可执行其他任务[^1][^3][^5]。 - **核心区别**:在于CPU的参与方式: - 同步IO中,CPU由用户进程主动控制,必须等待或轮询I/O完成。 - 异步IO中,CPU将控制权交给内核,用户进程被动接收通知,实现非阻塞[^1][^2]。 伪代码示例: - 同步阻塞IO(Java风格): ```java byte[] buffer = new byte[1024]; read(buffer); // 进程阻塞,直到数据就绪 processBuffer(); // 处理数据 ``` [^1] - 异步IO(事件驱动): ```java aio_read(buffer, callback); // 立即返回,内核完成后调用callback // 进程可继续执行其他任务 ``` [^5] #### 2. **工作机制详解** - **同步IO的工作流程**: 1. 用户进程发起I/O请求(如读取网络数据)。 2. 内核检查数据是否就绪(在内核缓冲区)。 3. 如果数据未就绪: - 阻塞模式:进程挂起,CPU空闲等待。 - 非阻塞模式:进程轮询,消耗CPU时间。 4. 数据就绪后,内核将数据从内核空间复制到用户空间。 5. 用户进程恢复执行。 此过程涉及用户态与内核态的切换,效率较低[^2][^3]。 - **异步IO的工作流程**: 1. 用户进程发起异步请求(如 `aio_read()`)。 2. 内核立即返回,用户进程继续运行。 3. 内核在后台准备数据,完成后通过事件(如SIGIO)或回调函数通知进程。 4. 用户进程在通知点处理数据。 整个过程无等待,CPU利用率高[^1][^5]。 关键点:同步IO要求用户进程参与数据复制过程(内核态到用户态),而异步IO由内核全权处理,减少了上下文切换开销[^2][^4]。 #### 3. **应用场景分析** 选择同步IO异步IO取决于具体需求,主要参考以下因素[^1][^4][^5]: - **并发数量**: - 低并发(如<100连接):同步IO更简单高效,因为线程切换开销小。例如,小型Web服务器。 - 高并发(如>1000连接):异步IO优势明显,避免创建过多线程(节省内存和CPU切换时间)。例如,Nginx服务器使用epoll(I/O多路复用,一种同步非阻塞优化)处理高并发[^1][^5]。 - **接收字节数(数据大小)**: - 小数据(如短消息):同步IO阻塞时间短,与异步IO差异小。 - 大数据(如文件传输):异步IO避免长时间阻塞,支持更多并发请求。例如,视频流服务常用异步IO[^1][^4]。 - **处理请求所需CPU时间**: - CPU密集型任务:同步异步影响不大,因为瓶颈在CPU计算。 - I/O密集型任务:异步IO显著提升吞吐量,释放CPU处理其他请求。例如,数据库系统(如Redis)采用异步IO处理高吞吐[^4][^5]。 下表总结了不同I/O模型的比较,帮助理解异步IO同步IO的定位(基于引用[5]): | I/O 模型 | 等待方式 | 等待时间 | CPU 利用率 | 适用场景 | |------------------|----------------------------|----------|------------|------------------------------| | 阻塞I/O(同步) | 等待 `recv()` 返回 | 长 | 低 | 小规模应用 | | 非阻塞I/O(同步)| 轮询数据状态 | 中 | 低 | 低延迟应用(如游戏服务器) | | I/O 多路复用(同步)| `select()`/`poll()`/`epoll()` | 短 | 中高 | 高并发服务器(如Nginx) | | 异步I/O | 内核通知(如 `aio_read()`) | 最短 | 最高 | 高吞吐系统(如数据库、大数据)| - **同步IO适用场景**:简单应用、低并发任务、开发成本敏感的项目。例如,命令行工具或嵌入式系统,其中逻辑直接,无需复杂事件处理[^4][^5]。 - **异步IO适用场景**:高并发服务器、实时系统、大数据传输。例如: - Web服务器(如Node.js)处理数千个并发连接。 - 数据库系统(如MySQL的InnoDB引擎)优化磁盘I/O。 - 流媒体服务,减少用户等待延迟[^1][^4][^5]。 #### 4. **总结** 同步IO的核心是用户进程主动等待I/O完成,适合简单、低负载环境;异步IO由内核处理并通知,适合高并发、大数据场景,能显著提升系统吞吐量和响应速度。实际选择时,需权衡并发量、数据大小和CPU负载[^4][^5]。记住,I/O多路复用(如epoll)常作为同步IO的优化方案,在高并发中广泛使用,但严格来说仍属同步范畴[^1][^2]。 如果您有具体系统(如Linux或Windows)的细节问题,我可以进一步展开!
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