【面試】迄今為止把同步/異步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO講的這么清楚的好文章（快快珍藏）

網(wǎng)上有很多講同步/異步/阻塞/非阻塞/BIO/NIO/AIO的文章，但是都沒有達(dá)到我的心里預(yù)期，于是自己寫一篇出來。

常規(guī)的誤區(qū)


假設(shè)有一個(gè)展示用戶詳情的需求，分兩步，先調(diào)用一個(gè)HTTP接口拿到詳情數(shù)據(jù)，然后使用適合的視圖展示詳情數(shù)據(jù)。

如果網(wǎng)速很慢，代碼發(fā)起一個(gè)HTTP請求后，就卡住不動(dòng)了，直到十幾秒后才拿到HTTP響應(yīng)，然后繼續(xù)往下執(zhí)行。

這個(gè)時(shí)候你問別人，剛剛代碼發(fā)起的這個(gè)請求是不是一個(gè)同步請求，對方一定回答是。這是對的，它確實(shí)是。

但你要問它為什么是呢？對方一定是這樣回答的，“因?yàn)榘l(fā)起請求后，代碼就卡住不動(dòng)了，直到拿到響應(yīng)后才可以繼續(xù)往下執(zhí)行”。

我相信很多人也都是這樣認(rèn)為的，其實(shí)這是不對的，是把因果關(guān)系搞反了：

不是因?yàn)榇a卡住不動(dòng)了才叫同步請求，而是因?yàn)樗峭秸埱笏源a才卡住不動(dòng)了。

至于為什么能卡住不動(dòng)，這是由操作系統(tǒng)和CPU決定的：

因?yàn)閮?nèi)核空間里的對應(yīng)函數(shù)會(huì)卡住不動(dòng)，造成用戶空間發(fā)起的系統(tǒng)調(diào)用卡住不動(dòng)，繼而使程序里的用戶代碼卡住不動(dòng)了。

因此卡住不動(dòng)了只是同步請求的一個(gè)副作用，并不能用它來定義同步請求，那該如何定義呢？


同步和異步


所謂同步，指的是協(xié)同步調(diào)。既然叫協(xié)同，所以至少要有2個(gè)以上的事物存在。協(xié)同的結(jié)果就是：

多個(gè)事物不能同時(shí)進(jìn)行，必須一個(gè)一個(gè)的來，上一個(gè)事物結(jié)束后，下一個(gè)事物才開始。

那當(dāng)一個(gè)事物正在進(jìn)行時(shí)，其它事物都在干嘛呢？

嚴(yán)格來講這個(gè)并沒有要求，但一般都是處于一種“等待”的狀態(tài)，因?yàn)橥ǔ：竺媸挛锏恼＿M(jìn)行都需要依賴前面事物的結(jié)果或前面事物正在使用的資源。

因此，可以認(rèn)為，同步更希望關(guān)注的是從宏觀整體來看，多個(gè)事物是一種逐個(gè)逐個(gè)的串行化關(guān)系，絕對不會(huì)出現(xiàn)交叉的情況。

所以，自然也不太會(huì)去關(guān)注某個(gè)瞬間某個(gè)具體事物是處于一個(gè)什么狀態(tài)。

把這個(gè)理論應(yīng)用的出神入化的非“排隊(duì)”莫屬。凡是在資源少需求多的場景下都會(huì)用到排隊(duì)。

比如排隊(duì)買火車票這件事：

其實(shí)售票大廳更在意的是旅客一個(gè)一個(gè)的到窗口去買票，因?yàn)橐淮沃荒苜u一張票。

即使大家一窩蜂的都圍上去，還是一次只能賣一張票，何必呢？擠在一起又不安全。

只是有些人素質(zhì)太差，非要往上擠，售票大廳迫不得已，采用排隊(duì)這種形式來達(dá)到自己的目的，即一個(gè)一個(gè)的買票。

至于每個(gè)旅客排隊(duì)時(shí)的狀態(tài)，是看手機(jī)呀還是說話呀，根本不用去在意。

除了這種由于資源導(dǎo)致的同步外，還存在一種由于邏輯上的先后順序?qū)е碌耐健?/span>

比如，先更新代碼，然后再編譯，接著再打包。這些操作由于后一步要使用上一步的結(jié)果，所以只能按照這種順序一個(gè)一個(gè)的執(zhí)行。

關(guān)于同步還需知道兩個(gè)小的點(diǎn)：

一是范圍，并不需要在全局范圍內(nèi)都去同步，只需要在某些關(guān)鍵的點(diǎn)執(zhí)行同步即可。

比如食堂只有一個(gè)賣飯窗口，肯定是同步的，一個(gè)人買完，下一個(gè)人再買。但吃飯的時(shí)候也是一個(gè)人吃完，下一個(gè)人才開始吃嗎？當(dāng)然不是啦。

二是粒度，并不是只有大粒度的事物才有同步，小粒度的事物也有同步。

只不過小粒度的事物同步通常是天然支持的，而大粒度的事物同步往往需要手工處理。

比如兩個(gè)線程的同步就需要手工處理，但一個(gè)線程里的兩個(gè)語句天然就是同步的。

所謂異步，就是步調(diào)各異。既然是各異，那就是都不相同。所以結(jié)果就是：

多個(gè)事物可以你進(jìn)行你的、我進(jìn)行我的，誰都不用管誰，所有的事物都在同時(shí)進(jìn)行中。

一言以蔽之，同步就是多個(gè)事物不能同時(shí)開工，異步就是多個(gè)事物可以同時(shí)開工。

注：一定要去體會(huì)“多個(gè)事物”，多個(gè)線程是多個(gè)事物，多個(gè)方法是多個(gè)事物，多個(gè)語句是多個(gè)事物，多個(gè)CPU指令是多個(gè)事物。等等等等。

阻塞和非阻塞

所謂阻塞，指的是阻礙堵塞。它的本意可以理解為由于遇到了障礙而造成的動(dòng)彈不得。

所謂非阻塞，自然是和阻塞相對，可以理解為由于沒有遇到障礙而繼續(xù)暢通無阻。

對這兩個(gè)詞最好的詮釋就是，當(dāng)今中國一大交通難題，堵車：

汽車可以正常通行時(shí)，就是非阻塞。一旦堵上了，全部趴窩，一動(dòng)不動(dòng)，就是阻塞。

因此阻塞關(guān)注的是不能動(dòng)，非阻塞關(guān)注的是可以動(dòng)。

不能動(dòng)的結(jié)果就是只能等待，可以動(dòng)的結(jié)果就是繼續(xù)前行。

因此和阻塞搭配的詞一定是等待，和非阻塞搭配的詞一定是進(jìn)行。

回到程序里，阻塞同樣意味著停下來等待，非阻塞表明可以繼續(xù)向下執(zhí)行。


阻塞和等待

等待只是阻塞的一個(gè)副作用而已，表明隨著時(shí)間的流逝，沒有任何有意義的事物發(fā)生或進(jìn)行。

阻塞的真正含義是你關(guān)心的事物由于某些原因無法繼續(xù)進(jìn)行，因此讓你等待。但沒必要干等，你可以做一些其它無關(guān)的事物，因?yàn)檫@并不影響你對相關(guān)事物的等待。

在堵車時(shí)，你可以干等。也可以玩手機(jī)、和別人聊天，或者打牌、甚至先去吃飯都行。因?yàn)檫@些事物并不影響你對堵車的等待。不過你的車必須呆在原地。

在計(jì)算機(jī)里，是沒有人這么靈活的，一般在阻塞時(shí)，選在干等，因?yàn)檫@最容易實(shí)現(xiàn)，只需要掛起線程，讓出CPU即可。在條件滿足時(shí)，會(huì)重新調(diào)度該線程。


兩兩組合


所謂同步/異步，關(guān)注的是能不能同時(shí)開工。

所謂阻塞/非阻塞，關(guān)注的是能不能動(dòng)。

通過推理進(jìn)行組合：

同步阻塞，不能同時(shí)開工，也不能動(dòng)。只有一條小道，一次只能過一輛車，可悲的是還TMD的堵上了。

同步非阻塞，不能同時(shí)開工，但可以動(dòng)。只有一條小道，一次只能過一輛車，幸運(yùn)的是可以正常通行。

異步阻塞，可以同時(shí)開工，但不可以動(dòng)。有多條路，每條路都可以跑車，可氣的是全都TMD的堵上了。

異步非阻塞，可以工時(shí)開工，也可以動(dòng)。有多條路，每條路都可以跑車，很爽的是全都可以正常通行。

是不是很容易理解啊。其實(shí)它們的關(guān)注點(diǎn)是不同的，只要搞明白了這點(diǎn)，組合起來也不是事兒。

回到程序里，把它們和線程關(guān)聯(lián)起來：

同步阻塞，相當(dāng)于一個(gè)線程在等待。

同步非阻塞，相當(dāng)于一個(gè)線程在正常運(yùn)行。

異步阻塞，相當(dāng)于多個(gè)線程都在等待。

異步非阻塞，相當(dāng)于多個(gè)線程都在正常運(yùn)行。

I/O

IO指的就是讀入/寫出數(shù)據(jù)的過程，和等待讀入/寫出數(shù)據(jù)的過程。一旦拿到數(shù)據(jù)后就變成了數(shù)據(jù)操作了，就不是IO了。

拿網(wǎng)絡(luò)IO來說，等待的過程就是數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)卡再到內(nèi)核空間。讀寫的過程就是內(nèi)核空間和用戶空間的相互拷貝。

所以IO就包括兩個(gè)過程，一個(gè)是等待數(shù)據(jù)的過程，一個(gè)是讀寫（拷貝）數(shù)據(jù)的過程。而且還要明白，一定不能包括操作數(shù)據(jù)的過程。

阻塞IO和非阻塞IO

應(yīng)用程序都是運(yùn)行在用戶空間的，所以它們能操作的數(shù)據(jù)也都在用戶空間。按照這樣子來理解，只要數(shù)據(jù)沒有到達(dá)用戶空間，用戶線程就操作不了。

如果此時(shí)用戶線程已經(jīng)參與，那它一定會(huì)被阻塞在IO上。這就是常說的阻塞IO。用戶線程被阻塞在等待數(shù)據(jù)上或拷貝數(shù)據(jù)上。

非阻塞IO就是用戶線程不參與以上兩個(gè)過程，即數(shù)據(jù)已經(jīng)拷貝到用戶空間后，才去通知用戶線程，一上來就可以直接操作數(shù)據(jù)了。

用戶線程沒有因?yàn)镮O的事情出現(xiàn)阻塞，這就是常說的非阻塞IO。

同步IO和同步阻塞IO

按照上文中對同步的理解，同步IO是指發(fā)起IO請求后，必須拿到IO的數(shù)據(jù)才可以繼續(xù)執(zhí)行。

按照程序的表現(xiàn)形式又分為兩種：

在等待數(shù)據(jù)的過程中，和拷貝數(shù)據(jù)的過程中，線程都在阻塞，這就是同步阻塞IO。

在等待數(shù)據(jù)的過程中，線程采用死循環(huán)式輪詢，在拷貝數(shù)據(jù)的過程中，線程在阻塞，這其實(shí)還是同步阻塞IO。

網(wǎng)上很多文章把第二種歸為同步非阻塞IO，這肯定是錯(cuò)誤的，它一定是阻塞IO，因?yàn)榭截悢?shù)據(jù)的過程，線程是阻塞的。

嚴(yán)格來講，在IO的概念上，同步和非阻塞是不可能搭配的，因?yàn)樗鼈兪且粚?/span>相悖的概念。

同步IO意味著必須拿到IO的數(shù)據(jù)，才可以繼續(xù)執(zhí)行。因?yàn)楹罄m(xù)操作依賴IO數(shù)據(jù)，所以它必須是阻塞的。

非阻塞IO意味著發(fā)起IO請求后，可以繼續(xù)往下執(zhí)行。說明后續(xù)執(zhí)行不依賴于IO數(shù)據(jù)，所以它肯定不是同步的。

因此，在IO上，同步和非阻塞是互斥的，所以不存在同步非阻塞IO。但同步非阻塞是存在的，那不叫IO，叫操作數(shù)據(jù)了。

所以，同步IO一定是阻塞IO，同步IO也就是同步阻塞IO。

異步IO和異步阻塞/非阻塞IO

按照上文中對異步的理解，異步IO是指發(fā)起IO請求后，不用拿到IO的數(shù)據(jù)就可以繼續(xù)執(zhí)行。

用戶線程的繼續(xù)執(zhí)行，和操作系統(tǒng)準(zhǔn)備IO數(shù)據(jù)的過程是同時(shí)進(jìn)行的，因此才叫做異步IO。

按照IO數(shù)據(jù)的兩個(gè)過程，又可以分為兩種：

在等待數(shù)據(jù)的過程中，用戶線程繼續(xù)執(zhí)行，在拷貝數(shù)據(jù)的過程中，線程在阻塞，這就是異步阻塞IO。

在等待數(shù)據(jù)的過程中，和拷貝數(shù)據(jù)的過程中，用戶線程都在繼續(xù)執(zhí)行，這就是異步非阻塞IO。

第一種情況是，用戶線程沒有參與數(shù)據(jù)等待的過程，所以它是異步的。但用戶線程參與了數(shù)據(jù)拷貝的過程，所以它又是阻塞的。合起來就是異步阻塞IO。

第二種情況是，用戶線程既沒有參與等待過程也沒有參與拷貝過程，所以它是異步的。當(dāng)它接到通知時(shí)，數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好了，它沒有因?yàn)镮O數(shù)據(jù)而阻塞過，所以它又是非阻塞的。合起來就是異步非阻塞IO。

PS：聰明的你或許發(fā)現(xiàn)了我沒有提多路復(fù)用IO，因?yàn)樗档脤ｉT撰文一篇。

（END）

作者是工作超過10年的碼農(nóng)，現(xiàn)在任架構(gòu)師。喜歡研究技術(shù)，崇尚簡單快樂。追求以通俗易懂的語言解說技術(shù)，希望所有的讀者都能看懂并記住。下面是公眾號(hào)和知識(shí)星球的二維碼，歡迎關(guān)注！