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图解同步/异步，阻塞/非阻塞，五种模型之差

news 2025/7/27 9:34:27

1.6 I/O模型相关概念

1.6.1 同步/异步–消息通知机制

关注的是消息通信机制，即调用者在等待一件事情的处理结果时，被调用者是否提供完成状态的通知。

同步：synchronous，被调用者并不提供事件的处理结果相关的通知消息，需要调用者主动询问事情是否处理完成
异步：asynchronous，被调用者通过状态、通知或回调机制主动通知调用者被调用者的运行状态

1.6.2 阻塞/非阻塞–等待时的状态

关注调用者在等待结果返回之前所处的状态

阻塞：blocking，指IO操作需要彻底完成后才返回到用户空间，调用结果返回之前，调用者被挂起，干不了别的事情。
非阻塞：nonblocking，指IO操作被调用后立即返回给用户一个状态值，而无需等到IO操作彻底完成，在最终的调用结果返回之前，调用者不会被挂起，可以去做别的事情。

1.7 网络I/O模型

阻塞I/O模型
非阻塞I/O模型
复用I/O模型
信号驱动I/O模型
异步I/O模型

1.7.1 阻塞型I/O模型（blocking IO）

阻塞I/O模型中，进程发起一个I/O操作（如读取文件或网络数据）后，会被挂起（即阻塞），直到操作完成或数据准备好才会返回。在此期间，进程无法执行任何其他任务。它是最简单的模型，但效率低下，尤其在多连接场景下容易导致资源浪费。

1.流程图

2.技术本质

进程发起I/O调用后，被操作系统挂起，直到数据完全就绪并拷贝到用户空间才唤醒。

3.特点

简单易用，编程模型直观
全程阻塞进程，无法处理并发
CPU利用率低（等待时不执行任何任务）
进程发起I/O操作后被挂起，直到内核完成数据准备与拷贝
调用线程处于SLEEP状态，不占用CPU

4.优缺点

优点：
- 编程简单直观（如read()调用后等待返回）
- 无额外状态检测逻辑
缺点：
- 严重资源浪费：单线程阻塞时无法处理其他任务
- 并发能力为0：每连接需独立线程/进程，万级连接崩溃

1.7.2 非阻塞型I/O模型 (nonblocking IO)

非阻塞I/O模型中，进程发起I/O操作后立即返回一个状态（如“数据未就绪”），进程不会被阻塞，而是可以继续执行其他任务。但进程需要不断轮询（检测）I/O状态，直到数据准备好。这避免了无限期等待，但轮询会消耗额外CPU资源，可能导致CPU空转。

1.流程图

2.技术本质

进程发起I/O调用后立即返回状态（成功或EWOULDBLOCK错误），需轮询检查就绪状态。

3.特点

进程不被挂起，可执行其他任务
轮询消耗大量CPU资源（忙等待）
延迟高（数据就绪后仍需等待轮询发现）

4.优缺点

优点：
- 进程不被阻塞，可执行其他计算任务
- 避免单点无限等待
缺点：
- 高CPU空转消耗：轮询占用大量CPU时间
- 响应延迟：数据就绪后仍需等待轮询发现

1.7.3 多路复用I/O型（I/O multiplexing）

复用I/O模型（也称为多路复用）使用一个系统调用（如select、poll或epoll）同时监控多个I/O描述符（如多个网络连接）。当任何一个描述符的数据准备好时，系统调用返回，进程可以处理已就绪的I/O。它减少了轮询开销，适合高并发场景，但实现较复杂，且在数据准备好后仍需进程主动读取。