阻塞IO与非阻塞IO

一、阻塞IO／非阻塞IO　与　进程

进程有三个基本状态，运行态、就绪态和阻塞态（睡眠态）。
所谓阻塞式IO，就是进程等待IO时会进入阻塞态，让出CPU。

对于一个想要进行IO操作的进程来说，可以选择阻塞IO和非阻塞IO两种方式。如果选择阻塞IO，在等待IO时进程就会进入阻塞态，进程也就不会在CPU上继续运行了，可以让出CPU，使CPU可以切换到其他进程运行；如果选择非阻塞IO，就不会一直等待IO，也就不会进入阻塞态，继而可以继续在CPU上运行，这样在等待IO时发起其他IO或处理已经完成的IO。

二、阻塞IO与非阻塞IO

文件IO是否为阻塞式IO，取决于用open()函数以什么方式打开。

2.1 阻塞IO

open()函数默认以阻塞IO的方式打开文件，也就是进程默认在等待IO时会进入阻塞态，不会继续在CPU上运行。

int fd;
char buffer;
fd = open("/dev/sda", O_RDWR);
ret = read(fd, &buffer, sizeof(buffer));

2.2 非阻塞IO

open()函数可以通过添加非阻塞标志位O_NONBLOCK，以非阻塞IO的方式打开文件。

int fd;
int buffer;
fd = open("/dev/sda", O_RDWR | O_NONBLOCK);
ret = read(fd, &buffer, sizeof(buffer));

应用程序通过poll()、epoll()和select()三个函数来轮询设备是否可用，从而实现非阻塞IO。

2.2.1 select()函数

select()函数把想要读的文件放到一个集合里，把想要写的文件放到一个集合里，把需要监测异常的文件也放到一个集合里，然后再设置一个超时时间。在超时时间内，如果这三个集合里出现了可用的文件，select()就返回一个大于0的数表明可用。

select()通过宏定义 FD_XXX 来往监测文件集合里增加、删除文件。

void FD_ZERO(fd_set *set) 			// 把文件集合清空
void FD_SET(int fd, fd_set *set) 	// 往集合里加入一个文件
void FD_CLR(int fd, fd_set *set) 	// 从集合里删除一个文件
int FD_ISSET(int fd, fd_set *set)	// 判断一个文件在不在这个集合里

select()默认最多能够监视1024个文件。

2.2.2 poll()函数

poll()函数对于监视时间的数量没有限制。
select()函数是将监视文件按读、写、异常分类监视，而poll()函数把所有文件放到一个集合里，然后设置每个文件要监视的属性。

2.2.3 epoll()函数

select()和poll()都会随着文件数量的增加，效率变低，为了解决高并发问题发明了epoll()函数，一般在大规模并发服务器网络编程中使用。

因此，一般使用select()和poll()函数来做非阻塞IO。

三、阻塞IO与非阻塞IO的底层实现原理

3.1 阻塞IO的底层实现原理

要想实现阻塞IO，就需要编写对应设备文件的驱动来实现阻塞IO。

• 阻塞IO的实现方式：等待队列

等待队列是Linux内核提供的一种可以实现阻塞IO的方式。等待队列通过把想要访问该设备文件的进程1、进程2、进程3放入一个队列里排队等待；等到设备可以使用时，就可以依次唤醒等待队列里的进程1、进程2、进程3；阻塞态的进程是通过中断唤醒的，所以进程一定设置成TASK_INTERRUPTIBLE状态。

3.2 非阻塞IO的底层实现原理

应用程序通过poll()、epoll()和select()三个函数来轮询设备是否可用，对应的都是设备文件驱动的poll()函数。

• 非阻塞IO的实现方式：poll()函数轮询
  

四、阻塞IO和非阻塞IO的特点总结

采用阻塞IO还是非阻塞IO主要取决于，进程切换成本 与 CPU轮询成本 哪个更小！

阻塞IO会让出CPU，可以让给其他进程执行，所以适合连接数少、间隔较长时间才可用的设备。比如，按键驱动，只有用户按下时才会有效，非阻塞IO需要一直轮询，CPU占用率极高，而阻塞IO可以很好地解决这种情况；

非阻塞IO会继续占用CPU，进程处于忙等待，但可以让给其他线程执行，所以适合连接数多（高并发）、间隔时间较短就可用的设备。比如，DMA数据采集，完成DMA数据采集不需要很长时间，因此隔一小段时间就会可用，所以阻塞IO切换进程会很耗时，而非阻塞IO可以很好地解决这种情况。

总结，进程进行阻塞IO会进入睡眠态，IO完成后会被唤醒，底层采用等待队列实现，非阻塞IO适合连接数少的情况；
进程进行非阻塞IO，会不断轮询所有监测文件集合里的文件是否可用，适合连接数多的情况。