同步（synchronous） io和非同步（asynchronous） io，阻塞（blocking） io和非阻塞（non-blocking）io分別是什麼，到底有什麼區別？這個問題其實不同的人給出的答案都可能不同，比如wiki，就認為asynchronous io和non-blocking io是乙個東西。這其實是因為不同的人的知識背景不同，並且在討論這個問題的時候上下文(context)也不相同。所以，為了更好的回答這個問題，我先限定一下本文的上下文。本文討論的背景是linux環境下的network io。
本文最重要的參考文獻是richardstevens的「unix® network programmingvolume 1, third edition: the sockets networking
」，6.2節「i/o models
」，stevens在這節中詳細說明了各種io的特點和區別，如果英文夠好的話，推薦直接閱讀。stevens的文風是有名的深入淺出，所以不用擔心看不懂。本文中的流程圖也是擷取自參考文獻。
stevens在文章中一共比較了五種io model：
blocking io
nonblocking io
io multiplexing
signal driven io
asynchronous io
由於signal driven io在實際中並不常用，所以我這只提及剩下的四種io model。
再說一下io發生時涉及的物件和步驟。以read函式舉例，對於乙個networkio會涉及到兩個系統物件，乙個是呼叫這個io的process (or thread)，另乙個就是系統核心(kernel)。當乙個read操作發生時，它會經歷兩個階段：
（1）等待資料準備(waitingfor the data to be ready)
（2）將資料從核心拷貝到程序中(copyingthe data from the kernel to the process)
記住這兩點很重要，因為這些
io model
的區別就是在兩個階段上各有不同的情況。是否阻塞說的是第乙個階段，即等待資料準備階段是否會阻塞，而是否同步說的是第二階段，即將資料從核心拷貝到程序這個真實的
io operation
操作階段是否阻塞。
在linux中，預設情況下所有的socket都是blocking，乙個典型的讀操作流程大概是這樣：
當使用者程序呼叫了recvfrom這個系統呼叫，kernel就開始了io的第乙個階段：準備資料。對於network io來說，很多時候資料在一開始還沒有到達（比如，還沒有收到乙個完整的udp包），這個時候kernel就要等待足夠的資料到來。而在使用者程序這邊，整個程序會被阻塞。當kernel一直等到資料準備好了，它就會將資料從kernel中拷貝到使用者記憶體，然後kernel返回結果，使用者程序才解除block的狀態，重新執行起來。
所以，blocking io
的特點就是在
io執行的兩個階段都被
block
了。linux下，可以通過設定socket使其變為non-blocking。當對乙個non-blockingsocket執行讀操作時，流程是這個樣子：
從圖中可以看出，當使用者程序發出read操作時，如果kernel中的資料還沒有準備好，那麼它並不會block使用者程序，而是立刻返回乙個error。從使用者程序角度講，它發起乙個read操作後，並不需要等待，而是馬上就得到了乙個結果。使用者程序判斷結果是乙個error時，它就知道資料還沒有準備好，於是它可以再次傳送read操作。一旦kernel中的資料準備好了，並且又再次收到了使用者程序的system call，那麼它馬上就將資料拷貝到了使用者記憶體，然後返回。所以，使用者程序其實是需要不斷的主動詢問kernel資料好了沒有。
所以，non-blocking io
的特點就是在
io執行的第一階段不阻塞，若沒準備好即可返回，但是在第二階段即將資料從核心拷貝到程序這個真實的
io operation
操作階段會阻塞。
io multiplexing這個詞可能有點陌生，但是如果我說select/epoll，大概就都能明白了。有些地方也稱這種io方式為事件驅動io(event-driven io)。我們都知道，select/epoll的好處就在於單個process就可以同時處理多個網路連線的io。它的基本原理就是select/epoll這個function會不斷的輪詢所負責的所有socket，當某個socket有資料到達了，就通知使用者程序。它的流程如圖：
當使用者程序呼叫了select，那麼整個程序會被block，而同時，kernel會「監視」所有select負責的socket，當任何乙個socket中的資料準備好了，select就會返回。這個時候使用者程序再呼叫read操作，將資料從kernel拷貝到使用者程序。
這個圖和blocking io的圖其實並沒有太大的不同，事實上，還更差一些。因為這裡需要使用兩個system call (select 和 recvfrom)，而blocking io只呼叫了乙個system call (recvfrom)。但是，用select的優勢在於它可以同時處理多個connection。（多說一句。所以，如果處理的連線數不是很高的話，使用select/epoll的web server不一定比使用multi-threading + blocking io的web server效能更好，可能延遲還更大。select/epoll的優勢並不是對於單個連線能處理得更快，而是在於能處理更多的連線。）
在io multiplexingmodel中，實際中，對於每乙個socket，一般都設定成為non-blocking，但是，如上圖所示，整個使用者的process其實是一直被block的。只不過process是被select這個函式block，而不是被socket io給block。
所以多路復用
io的特點是引入了
select
這樣乙個過程，阻塞監視多個
socket
，一旦有某個
socket
資料準備好了，則返回執行同步io。
linux下的asynchronousio其實用得很少。先看一下它的流程：
使用者程序發起read操作之後，立刻就可以開始去做其它的事。而另一方面，從kernel的角度，當它受到乙個asynchronous read之後，首先它會立刻返回，所以不會對使用者程序產生任何block。然後，kernel會等待資料準備完成，然後將資料拷貝到使用者記憶體，當這一切都完成之後，kernel會給使用者程序傳送乙個signal，告訴它read操作完成了。
所以非同步
io的特點是，在
io操作的兩個階段都不會阻塞，而是全權交給作業系統核心來完成，而核心完成後通過訊號來通知使用者程序即可。
區別在於
io操作的第一階段，呼叫
blockingio
會一直block
住對應的程序直到操作完成，而
non-blocking io
在kernel
還準備資料的情況下會立刻返回。
在說明synchronous io和asynchronousio的區別之前，需要先給出兩者的定義。stevens給出的定義（其實是posix的定義）是這樣子的：
a synchronous i/ooperation causes the requesting process to be blocked until that
i/o operation
completes;
an asynchronous i/o operationdoes not cause the requesting process to be blocked;
兩者的區別就在於
synchronous io
做」io operation」
的時候會將
process
阻塞。按照這個定義，之前所述的
blockingio
，non-blocking io
，io multiplexing
都屬於synchronous io
。有人可能會說，non-blockingio並沒有被block啊。這裡有個非常「狡猾」的地方，定義中所指的」io operation」是指真實的io操作，就是例子中的recvfrom這個system call。non-blocking io在執行recvfrom這個system call的時候，如果kernel的資料沒有準備好，這時候不會block程序。但是，當kernel中資料準備好的時候，recvfrom會將資料從kernel拷貝到使用者記憶體中，這個時候程序是被block了，在這段時間內，程序是被block的。而asynchronous io則不一樣，當程序發起io 操作之後，就直接返回再也不理睬了，直到kernel傳送乙個訊號，告訴程序說io完成。在這整個過程中，程序完全沒有被block。
各個io model的比較如圖所示：
經過上面的介紹，會發現non-blockingio和asynchronous io的區別還是很明顯的。在non-blocking io中，雖然程序大部分時間都不會被block，但是它仍然要求程序去主動的check，並且當資料準備完成以後，也需要程序主動的再次呼叫recvfrom來將資料拷貝到使用者記憶體。而asynchronous io則完全不同。它就像是使用者程序將整個io操作交給了他人（kernel）完成，然後他人做完後發訊號通知。在此期間，使用者程序不需要去檢查io操作的狀態，也不需要主動的去拷貝資料。
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