异步I/O和同步I/O
点外卖” 和 “自己做饭” 的生活场景来类比 Linux 中的 异步 I/O（AIO） 和 同步 I/O（Synchronous I/O）
1. 同步 I/O（Synchronous I/O）—— 自己做饭
场景
假设你饿了，决定 自己做饭：
- 第一步：去菜市场买菜（相当于
read()从磁盘读取数据）- 你必须亲自去菜市场，站在摊位前等老板把菜给你（阻塞）。
- 如果菜市场没菜了，你得一直等（数据未就绪时阻塞）。
- 第二步：回家做饭（相当于 CPU 处理数据）
- 买菜回来后，你才能开始洗菜、切菜、炒菜（顺序执行）。
- 第三步：吃饭（相当于程序继续执行后续逻辑）
- 饭做好后，你才能吃（必须等前一步完成）。
同步 I/O 的特点
- 阻塞：你必须亲自完成每一步，不能同时做其他事（比如不能一边买菜一边炒菜）。
- 顺序执行：必须按
买菜 → 做饭 → 吃饭的顺序来，不能跳过或并行。 - 简单但低效：如果买菜或做饭很慢，你只能干等着，浪费时间。
Linux 中的同步 I/O 例子
read()/write()：直接读写文件，如果数据没准备好，程序会卡住（阻塞）。epoll()+ 非阻塞 I/O：虽然可以同时监控多个文件描述符，但每次读写仍然需要手动检查数据是否就绪（类似“频繁去菜市场看菜到了没”）。
2. 异步 I/O（Asynchronous I/O, AIO）—— 点外卖
场景
假设你饿了，决定 点外卖：
- 第一步：在手机上下单（相当于提交异步 I/O 请求）
- 你只需要在美团/饿了么上点“提交订单”（非阻塞），然后可以继续刷抖音、打游戏（程序继续执行其他任务）。
- 第二步：外卖小哥送餐（相当于内核在后台处理 I/O）
- 商家接单、做饭、打包、骑手取餐、送货，这些过程你完全不用管（内核在后台完成 I/O 操作）。
- 第三步：收到外卖通知（相当于回调函数或信号通知）
- 手机“叮”一声，提示“外卖已送达”（通过回调或信号通知程序 I/O 完成）。
- 你下楼取餐，然后吃饭（程序处理完成后的逻辑）。
异步 I/O 的特点
- 非阻塞：下单后你可以继续干其他事，不用站在厨房等饭做好。
- 并行处理：外卖小哥、商家、骑手可以同时工作（内核在后台高效处理 I/O）。
- 高效但复杂：你需要留手机号（回调函数）或设置提醒（信号），否则可能错过外卖。
Linux 中的异步 I/O 例子
io_uring（Linux 5.1+ 推荐）：- 像“美团外卖”一样高效，支持文件、网络等异步 I/O。
- 程序提交订单（
io_uring_prep_read），然后继续执行其他任务，内核完成后通知（io_uring_wait_cqe）。
libaio（较旧）：- 类似“老式外卖平台”，功能有限，但也能实现异步文件 I/O。
3. 同步 vs 异步：外卖 vs 做饭
| 对比项 | 同步 I/O（自己做饭） | 异步 I/O（点外卖） |
|---|---|---|
| 是否阻塞 | 阻塞（必须亲自等） | 非阻塞（下单后可以继续玩） |
| 能否并行 | 不能（一步接一步） | 能（商家、骑手、你同时干活） |
| 效率 | 低（浪费时间等） | 高（充分利用时间） |
| 复杂度 | 简单（按步骤来） | 复杂（需要处理通知） |
| 适用场景 | 低并发、简单任务（如单线程脚本） | 高并发、高性能需求（如 Web 服务器） |
4. 实际代码类比
(1) 同步 I/O（自己做饭）
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>int main() {char buf[1024];// 阻塞式读取文件（相当于站在菜市场等菜）ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)); if (n > 0) {// 读取完成后才能继续处理（相当于做饭）write(STDOUT_FILENO, buf, n); }return 0;
}- 问题：如果
read()很慢（比如从硬盘读取大文件），程序会卡住，无法做其他事。
(2) 异步 I/O（点外卖）
#include <liburing.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>void callback(struct io_uring_cqe *cqe) {printf("外卖已送达！读取了 %d 字节\n", cqe->res);
}int main() {struct io_uring ring;io_uring_queue_init(32, &ring, 0); // 初始化“外卖平台”int fd = open("test.txt", O_RDONLY);char buf[1024];// 提交异步读请求（相当于下单）struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, sizeof(buf), 0);io_uring_submit(&ring); // 告诉内核：“我点单了，你去做吧！”printf("下单成功！继续刷抖音...\n"); // 程序继续执行其他任务// 稍后检查外卖状态（相当于等手机通知）struct io_uring_cqe *cqe;io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);callback(cqe); // 处理完成事件（取外卖）io_uring_cqe_seen(&ring, cqe); // 标记“已取餐”io_uring_queue_exit(&ring);close(fd);return 0;
}- 优势：提交请求后，程序可以继续做其他事，内核在后台高效处理 I/O。
5. 总结
- 同步 I/O（自己做饭）：简单但低效，适合简单任务。
- 异步 I/O（点外卖）：高效但复杂，适合高并发场景（如 Nginx、Redis、数据库）。
- Linux 推荐：
- 高性能文件 I/O：
io_uring（现代外卖平台） - 网络 I/O：
epoll()+ 非阻塞 I/O（类似“多线程做饭”）
- 高性能文件 I/O：