操作系统 I/O 同步异步阻塞非阻塞区别

同步、异步、阻塞、非阻塞是描述 I/O 操作的两种不同维度的特性，它们的区别可以通过以下框架理解：

1. 维度一：同步 vs 异步（任务完成的机制）

同步 I/O

• 定义：调用者必须主动等待结果（直接参与等待过程）。
• 特点：
  • 调用 I/O 操作后，线程会等待操作完成（如数据从内核缓冲区复制到用户缓冲区）。
  • 结果由调用者直接处理。
• 示例：
  • read() 系统调用在数据未就绪时，线程会阻塞等待。
  • 非阻塞的轮询（如 select/poll）是同步的，因为需要调用者主动检查状态。

异步 I/O

• 定义：调用者无需等待结果，操作系统完成后通过回调或信号通知。
• 特点：
  • 调用 I/O 操作后，线程立即返回去做其他事情。
  • 结果由操作系统通过事件通知（如回调函数、信号）传递给调用者。
• 示例：
  • Linux 的 aio_read() 或 Windows 的 IOCP（完成端口）。

维度二：阻塞 vs 非阻塞（调用者的状态）

阻塞 I/O

• 定义：调用者会被操作系统挂起，直到操作完成。
• 特点：
  • 线程在 I/O 操作完成前无法执行其他任务。
• 示例：
  • 默认的 read() 调用，若数据未就绪，线程会阻塞。

非阻塞 I/O

• 定义：调用者立即返回，无需等待操作完成。
• 特点：
  • 如果操作未完成，返回错误码（如 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK）。
  • 调用者需轮询或结合其他机制（如 select/epoll）检查状态。
• 示例：
  • 设置文件描述符为非阻塞模式后调用 read()。

组合场景

1. 同步阻塞 I/O

• 调用 I/O 后，线程阻塞等待结果（如默认的 read()）。
• 流程：发起调用 → 等待数据 → 处理数据。

2. 同步非阻塞 I/O

• 调用 I/O 后立即返回，需轮询检查状态（如非阻塞 read() + select）。
• 流程：发起调用 → 轮询检查 → 数据就绪后处理。

3. 异步非阻塞 I/O

• 调用 I/O 后立即返回，操作系统完成后通知调用者（如 aio_read()）。
• 流程：发起调用 → 执行其他任务 → 收到通知后处理数据。

对比表格

关键区别总结

1. 同步 vs 异步：关注谁负责处理结果（调用者主动等待 vs 操作系统回调通知）。
2. 阻塞 vs 非阻塞：关注调用后是否立即返回（线程是否被挂起）。

常见误解

• 同步 ≠ 阻塞：同步非阻塞 I/O（如 epoll）通过事件循环实现高效等待。
• 异步必须非阻塞：异步 I/O 一定是非阻塞的，因为调用后线程无需等待。

实际编程中的应用

• 阻塞 + 同步：简单但效率低（如单线程服务器）。
• 非阻塞 + 同步：高性能服务器的核心（如 epoll/kqueue）。
• 异步 + 非阻塞：最大化资源利用率（如大规模并发系统）。