同步异步与阻塞非阻塞

POSIX 同步/异步、阻塞/非阻塞机制总结

同步（Synchronous） vs 异步（Asynchronous）
- 同步：调用者主动等待操作完成（如 read() 必须等待数据就绪）。
- 异步：调用者提交操作后立即返回，内核完成后通过信号、回调或事件通知结果（如 aio_read()）。
阻塞（Blocking） vs 非阻塞（Non-blocking）
- 阻塞：调用者被挂起（进入睡眠状态），直到操作完成或超时（如默认的 read()）。
- 非阻塞：调用者立即返回，无论操作是否完成（需后续轮询或等待通知，如设置 O_NONBLOCK 标志）。

机制：通过 fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK) 设置文件描述符为非阻塞模式，调用 I/O 函数时：
- 若数据未就绪，立即返回 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK 错误。
- 需结合轮询（如循环调用 read()）或多路复用（如 select()）检测就绪状态。
典型函数：
- read() / write()（返回错误码）
- select() / poll() / epoll()（检测就绪状态）
特点：
- 避免进程阻塞，但需主动轮询，浪费 CPU 资源。
- 适用于需同时处理多个 I/O 但并发量中等的场景（如简单网络服务器）。

机制：通过 aio_read() / aio_write() 提交异步操作，内核完成后通过信号或回调通知进程。
- 通知方式：
  - 信号驱动：使用 SIGIO 信号（需 fcntl(fd, F_SETOWN, pid) 绑定进程）。
  - 回调函数：通过 struct aiocb 中的回调接口。
- 数据完整性：需检查 aio_error() 和 aio_return() 确认操作结果。
典型函数：
- aio_read() / aio_write()
- lio_listio()（批量提交异步操作）
特点：
- 真正的异步：内核完成所有操作（数据准备+拷贝）后通知用户。
- 编程复杂度高，且某些系统实现不完善（如 Linux 的 libaio 限制较多）。
- 适用于高吞吐量、低延迟场景（如大规模文件批量处理）。

机制：通过 select()、poll() 或 epoll() 监控多个文件描述符的就绪状态，本质仍是同步操作。
- 就绪通知：内核返回哪些描述符可读/可写，用户需自行调用 read()/write() 处理。
- 性能对比：
  - select/poll：线性扫描所有描述符，时间复杂度 O(n)。
  - epoll：事件驱动，时间复杂度 O(1)。
典型函数：
- select() / pselect()
- poll() / ppoll()
- epoll_create() / epoll_wait()（Linux 特有）
特点：
- 单线程高效管理多路 I/O，避免多线程/进程切换开销。
- 常与非阻塞 I/O 结合（避免就绪后调用 read() 时阻塞）。
- 适用于高并发服务（如 Web 服务器、实时消息系统）。

机制	模型	资源占用	并发能力	编程复杂度	适用场景
同步阻塞	同步 + 阻塞	低（单线程）	低	简单	简单工具、低并发程序
同步非阻塞	同步 + 非阻塞	中（需轮询）	中	中等	多任务轮询、中等并发服务
异步 I/O	异步 + 非阻塞	高（回调管理）	高	高	高吞吐量、后台批量任务
多路复用	同步 + 非阻塞	中（事件驱动）	高	中等	高并发服务（如 Web 服务器）

控制权归属：
- 同步：用户线程主动控制操作流程（如轮询或等待）。
- 异步：内核控制操作完成后的通知，用户线程无需等待。
性能与复杂度权衡：
- 同步阻塞简单但性能差，异步非阻塞高效但实现复杂。
- 多路复用是同步模型的优化，平衡性能与开发成本。
适用场景驱动：
- 高并发短连接：多路复用 + 非阻塞 I/O（如 epoll）。
- 大文件处理：异步 I/O（如 aio_read）。
- 简单交互：同步阻塞（如命令行工具）。

同步 vs 异步：关注 操作完成的通知方式（用户等待 vs 内核通知）。
阻塞 vs 非阻塞：关注 等待期间的进程状态（挂起 vs 立即返回）。
最佳实践：
- 优先使用 多路复用 + 非阻塞 I/O（如 epoll）构建高并发服务。
- 对延迟敏感的大规模 I/O 任务，考虑 异步 I/O（需注意平台兼容性）。
- 避免滥用非阻塞轮询（浪费 CPU），合理选择同步/异步模型。