架构师面试（十八）：I/O 原理

问题

今天考察计算机基础知识。

我们知道计算机I/O是指外部设备与存储之间的数据传输，常见的I/O有磁盘IO、网络IO、打印机IO、键盘IO等等。

为了提高CPU的利用率和程序并发处理的能力，产生了 同步/异步IO、阻塞/非阻塞IO，经过排列组合后产生了这样四个编程术语： 

（1）【同步阻塞IO】

（2）【同步非阻塞IO】

（3）【异步阻塞IO】

（4）【异步非阻塞IO】

这四个编程术语之间到底有什么本质区别呢？如何正确理解它们？ 

解析

先回顾一下几个计算机的基础知识：

（1）通常我们写的应用程序是无法直接访问外部设备（IO外设），需要通过操作系统内核才能进行访问。

（2）【应用程序】【操作系统内核】【IO外设】这三者之间的关系和访问流程是这样的（以应用程序从网卡读取数据为例）：

    A. 【应用程序】通过“系统调用”访问【操作系统内核】；（回想一下，什么是“系统调用”？）

    B. 【操作系统内核】通过“驱动调用”访问【IO外设】；（这里给大家扩展一下冯诺依曼体系架构扩展性的知识点：CPU是不知道IO外设的特性的，CPU只认识和执行它的指令集；众多厂商按照指令集提供了五彩十色的各类外设，外设按照统一标准与CPU交互，实现了计算机各种各样的功能，这就是冯诺依曼架构的扩展性 ）

    C. 【IO外设】拿到用户的数据后，将数据拷贝到【操作系统内核】；（大家还记得  DMA 原理吗？）

    D. 【操作系统内核】中的数据拷贝到应用程序内存中。（至此，我们拿到了数据，可以进行业务逻辑处理了）

（3）【同步/异步IO】描述的是 “应用程序”和“操作系统内核”的交互方式，说得通俗一些，就是这两个角色之间消息通信的机制：【同步IO】是“应用程序”占主动，它会一直等待“操作系统内核”的结果；【异步IO】则是“操作系统内核”占主动，它会主动通知“应用程序”；以上面描述的读取网卡数据的流程为例：【同步 /异步IO】是发生在 D 环节，应用程序如果被阻塞了，就是同步IO，未被阻塞时，就是异步IO。

（4）【阻塞/非阻塞IO】描述的是“应用程序”调用“操作系统内核”的操作方式，说得通俗一些，就是调用函数接口的方式：【阻塞IO】是“应用程序”调用函数时在未拿到结果时处于阻塞状态（当前线程会被挂起），【非阻塞IO】是“应用程序”调用函数时不会被挂起，可以继续运行；以上面描述的读取网卡数据的流程为例：【阻塞/非阻塞IO】是发生在 A 环节，这个环节如果应用程序阻塞了，就是阻塞IO，否则就是非阻塞IO。

参考答案

理解了以上基础知识后，就可以回答我们的问题了：

【阻塞IO 和 非阻塞IO】描述的是 “应用程序” 调用 “系统内核”的操作方式，发生在 A 环节；

【同步IO 和 异步IO】描述的是 “应用程序”和“系统内核”的交互方式，发生在 D 环节；

通过排列组合，会形成四个词：【同步阻塞IO】【同步非阻塞IO】【异步阻塞IO】【异步非阻塞IO】；不难思考，【异步阻塞IO】在实际应用中非常少（我都已经阻塞调用了，都已经知道产生数据了，还需要你异步的方式通知我，多此一举呀！），所以提到【异步IO】都会默认为【异步非阻塞IO】。

（1）【同步阻塞IO】： 在客户端调用中比较常见，比如MySQL客户端、Redis客户端等；（还记得 数据库连接 为什么要设计成 同步阻塞的方式吗？ 还记得 RPC 和 数据库连接池的区别吗？）

（2）【同步非阻塞IO】：非阻塞IO，线程不会被挂起，比较占用CPU资源，如果只处理一个IO外设，就太浪费了，所以在实际应用中，往往通过这种方式处理多个fd， 即： IO多路复用； 这个方式非常常见，比如：LinuxI系统的 select 模型 和 epoll 模型；另外，Go语言的底层在处理多并发时就是采用的这种方式；

（3）【异步IO】：异步IO的主要工作都交给了 系统内核完成，应用程序比较清爽，理论上讲，这是处理高并发最优雅的解决方案；比如： Node.js， windows系统的IOCP都是异步IO的典型。