真正意义上的 异步IO 是说内核直接将数据拷贝至用户态的内存单元，再通知程序直接去读取数据。
select / poll / epoll 都是同步IO的多路复用模式

用户空间和内核空间

  • 在Linux/Unix中，对于一次读取IO的操作，数据并不会直接拷贝到应用程序的缓冲区(用户空间)，它首先会被拷贝到操作系统内核的缓冲区(内核空间)中，然后才会从操作系统内核的缓冲区拷贝到应用程序的缓冲区
  • 可以看做是两个过程：1. Waiting for the data to be ready(等待数据到达内核缓冲区)；2. Copying the data from the kernel to the process(从内核缓冲区拷贝数据到应用程序缓冲区)

同步/异步、阻塞/非阻塞

同步和异步关注的是消息通信机制
所谓同步，就是在发出一个调用时，没得到结果之前，该调用就不返回。但是一旦调用返回就得到返回值了，调用者主动等待这个调用的结果
所谓异步，就是在发出一个调用时，这个调用就直接返回了，不管返回有没有结果。当一个异步过程调用发出后，被调用者通过状态，通知来通知调用者，或者通过回调函数处理这个调用

阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果时的状态
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。调用线程只有在得到结果之后才返回
非阻塞调用是指在不能立即得到结果之前，该调用不会阻塞当前线程

同步

  • 发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回，也就是必须一件一件事做，等前一件做完了才能做下一件事

异步

  • 当一个异步过程调用发出后，调用者一般不能立刻得到结果，实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者
  • 通知调用者的三种方式：
  • 状态——监听被调用者的状态(轮询)，调用者需要每隔一定时间检查一次，效率会很低；
  • 通知——当被调用者执行完成后，发出通知告知调用者，无需消耗太多性能
  • 回调——当被调用者执行完成后，会调用调用者提供的回调函数

阻塞

  • 调用结果返回之前，当前线程会被挂起(线程进入非可执行状态，在这个状态下，OS不会给线程分配时间片，即线程暂停运行)，调用结果返回后线程进入就绪态

非阻塞

  • 调用结果返回之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回

同步和异步的区别

  • 请求发出后，是否需要等待结果，才能继续执行其他操作
  • 在网络IO模型中，数据拷贝时进程阻塞是同步，反之则是是异步

阻塞和同步的区别

  • 同步调用在结果返回之前，线程并没有进入挂起状态，OS还会给它分配占用CPU的时间片；阻塞调用在结果返回之前，线程处于挂起状态，OS不会再为其分配占用CPU的时间片，直到结果返回后，线程进入就绪状态在可能继续运行

阻塞和非阻塞的区别

  • 在网络IO模型中，应用程序的调用立即返回是非阻塞，反之则是阻塞

同步/异步和阻塞/非阻塞的区别

  • 在网络编程中，阻塞和非阻塞发生在第一阶段(准备数据阶段)；同步和异步发生在第二阶段(准备好的数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区阶段)

网络上的例子
老张爱喝茶，废话不说，煮开水。
出场人物：老张，水壶两把（普通水壶，简称水壶；会响的水壶，简称响水壶）。
1 老张把水壶放到火上，立等水开。（同步阻塞）；立等就是阻塞了老张去干别的事，老张得一直主动的看着水开没，这就是同步
2 老张把水壶放到火上，去客厅看电视，时不时去厨房看看水开没有。（同步非阻塞）；老张去看电视了，这就是非阻塞了，但是老张还是得关注着水开没，这也就是同步了
3 老张把响水壶放到火上，立等水开。（异步阻塞）；立等就是阻塞了老张去干别的事，但是老张不用时刻关注水开没，因为水开了，响水壶会提醒他，这就是异步了
4 老张把响水壶放到火上，去客厅看电视，水壶响之前不再去看它了，响了再去拿壶。（异步非阻塞）；老张去看电视了，这就是非阻塞了，而且，等水开了，响水壶会提醒他，这就是异步了
所谓同步异步，只是对于水壶而言。普通水壶，同步；响水壶，异步。对应的也就是消息通信机制
虽然都能干活，但响水壶可以在自己完工之后，提示老张水开了。这是普通水壶所不能及的。同步只能让调用者去轮询自己（情况2中），造成老张效率的低下。
所谓阻塞非阻塞，仅仅对于老张而言。立等的老张，阻塞；对应的也就是程序等待结果时的状态
看电视的老张，非阻塞。
情况1和情况3中老张就是阻塞的，媳妇喊他都不知道。虽然3中响水壶是异步的，可对于立等的老张没有太大的意义。所以一般异步是配合非阻塞使用的，这样才能发挥异步的效用。

Unix网络编程5种I/O模型

阻塞I/O(blocking I/O)

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  • 当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据，对于network IO来说，一般数据在一开始还没有到达，kernel会等待足够的数据到来，而在用户进程这边，整个进程会被阻塞挂起，当kernel等到数据准备好，它就会将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区，然后kernel返回结果，用户进程才进入就绪状态，重新运行起来

非阻塞I/O(nonblocking IO)

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  • 当用户进程发出recvfrom操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会阻塞用户进程，而是立刻返回，从用户进程角度讲 ，它发起一个recvfrom操作后，并不需要等待，而是马上就得到了一个结果，用户进程通过结果判断数据是否准备好，如果没有准备好过段时间再次发送recvfrom操作，一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的recvfrom调用操作，马上将数据从内核缓冲区拷贝到了用户进程缓冲区

I/O多路复用(I/O multiplexing)

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  • select，poll以及大名鼎鼎的epoll就是IO多路复用模型，其特点就在于单个系统调用可以同时处理多个网络连接的IO，它的基本原理就是select/poll/epoll这个function会不断的轮询所负责的所有socket，当某个socket有数据到达了，就通知用户进程
  • 当用户进程调用了select/poll/epoll，整个进程会被阻塞，而同时，kernel会“监视”所有select/poll/epoll负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select/poll/epoll就会返回。这个时候用户进程再调用recvfrom操作，将数据从内核缓冲区拷贝到用户进程缓冲区

信号驱动I/O(signal driven I/O)

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  • 信号驱动I/O在网络编程中基本用不到这里就不做介绍了

异步I/O(asynchronous I/O)

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  • 用户进程发起aio_read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事，从kernel的角度，当它受到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何阻塞，然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了