什么是异步IO

什么是异步IO

从API上来说，是一组非阻塞的IO API，不过这是废话。

换个角度：程序不因为IO调用而被阻塞，就可以说程序是异步的。

要理解这个回答，首先要知道什么是“异步”。

编程或者架构模型有4种。

1. 阻塞

A调用B后，一直等着B返回结果。

这是最广泛使用，也是最简单的一种模型。普通的函数调用、传统的阻塞IO都是如此。

2. 轮询

A调用B后，A不断去B那里查询返回结果。

这在耗时任务中经常出现。比如一种资源的创建非常耗时，服务A通知服务B创建，B返回给A一个任务id或者资源id，A不断轮询B检查任务是否完成以及完成结果。这种也非常常见。在架构设计中，为了减少服务之间的循环依赖，常常不会让B再回去调用A。这样一来，在一个基于http的体系中，轮询是唯一解法。

3. 阻塞回调

A调用B后，A什么都不做，直到B通知A已完成

这种模式并不是经常出现，而且它实际上是异步回调的一个子集。在（资源非常少，无法承接多个任务 | 或者A通知B进行的是其他任务的前提）时，可能会选择这种模型。

4. 异步回调

A调用B后，该干啥干啥，B通知A已完成后，再继续处理该任务的后续任务。

这种模型是本文主要想说的。

异步回调

我们从逻辑上分析一下，A调用B时，需要告诉B哪些东西。

1. B需要知道任务结束后通知谁，所以A需要告知B，完成后需要执行的过程f
2. A要告诉B做什么事情，所以至少需要指定调用参数arg

所以，常见的异步回调框架，比如libuv(c)，vertx(java)，nodejs，函数签名大多是：功能(参数, 回调函数)。

例如

db.find('select * from xx', [], resultHandler);
function resultHandler(err, rows) {
  // ...
}

这里的f就是resultHandler，arg就是'select * from xx', []。

但是，从语法上，没有人能保证这个调用真的跑到数据库里取回结果。比如在单元测试时，find函数可能会返回一堆预定义的数据。这样的过程显然不是“异步”的。

那么，如下find函数实现做法，能算“异步”吗？

1. 把接收到的参数和函数打包到一个对象里
2. 传到某个FIFO队列里
3. 一组线程池消费这个队列，然后执行Thread.sleep 10s，然后用预定义的数据调用传进来的函数（resultHandler）

emmmmm……

这样肯定也不是。因为这种做法本质上和直接sleep 10s没有任何区别。此处，把sleep 10s换成其他阻塞IO（比如write/read）是一模一样的。

但是这种做法已经比较接近了。

真正的异步

定时器

我们先不管IO。 如果你想实现一个异步的“sleep”函数，你会怎么做？

我们能从硬件拿到的只有当前时间，那么除了真的Thread.sleep还有别的方法吗？答案是没有。但是，等待的方式可以完全不一样。

假设，我们想在12:00开始等待10分钟。我们实际上告诉等待线程的，其实是“我们想最早在12:10收到回调”。等待线程可以选择每隔几毫秒检查一次当前时间，然后在时机合适时触发回调。

可能有人想说，这tm不还是总共sleep了10分钟吗，有什么区别？

这种情况下没有任何区别，但是如果你有两个定时任务呢？

还是假设我们现在是12:00。一个任务需要sleep 10分钟，另一个任务需要sleep 15分钟。按照之前的做法，需要占用两个线程。而现在只需要占用一个线程。如果任务数量继续往上增加，比如10000个任务，老做法需要占用10000个线程，而新做法依然只需要占用1个线程。

当然我们可以做的好一点，利用中断。比如第一个任务sleep10分钟，那么线程就直接sleep 10分钟。第二个任务在12:01分进来，只要sleep 5分钟。那么就可以中断线程，然后sleep5分钟。触发第二个任务回调后，再sleep4分钟，触发第一个任务回调。不过两者本质上是差不多的。

IO

从“定时器”的例子里看到，只有一个线程放在那死循环，就可以完成成百上千个任务。原理是“仅当任务完成时，触发对应的任务回调”。

放到通用的IO，这个道理也是一样的（其实定时器也是IO的一种）。

IO的正常事件只有两个：1.可读，2.可写。异常事件通常是连接异常、连接断开、资源问题等。

按定时器的原理，异步IO原理可以扩展为：“仅当事件触发时，才进行回调”。

这些在应用层是无法感知的。比如说，写缓冲没满，那么fd是可写的；读缓冲有数据，那么fd是可读的。但是应用层感知不到网卡队列。所以这些事情只能让内核来做了。

Linux Epoll

以往的select和poll，本质是轮询fd，看是fd是否可读或者可写等。原理就是遍历指定的几个fd，检查它们的可读写状态，然后告诉应用层。select要做两次数据拷贝，poll做一次。 select和poll其实也是异步，只不过需要不断轮询，而且复杂度都是O(n)，比较慢。

Epoll的出现解决了几乎所有select和poll的缺点。当事件触发时，会直接告诉epoll事件已触发，在查询事件时（epoll_wait），只需要拷贝对应的链表而无需轮询。

但是，epoll不接收回调函数，它只是通知你fd事件激活。当事件激活后，你需要自己去调用对应的回调。所以，你仍然需要自己写一个死循环不停调用epoll_wait。

有人可能不理解，为什么死循环不停调用就是异步了？这个线程不还是被“阻塞”了吗？

有这种问题说明你对“阻塞”理解完全错误。阻塞并不是说“下面的代码还没有被执行”。CPU一条条指令执行下来，如果你写了一个死循环，而且有一个cpu核心就是钻牛角尖似的不停执行，那这就不是“阻塞”。阻塞是说，cpu目前已经不执行你这段代码了，但是下面的代码还没有被执行。比如你调用了阻塞版本的write，然后对端没有读取，那么线程就阻塞在那里，没有cpu会去执行后面的代码。

Epoll也会“阻塞”？

epoll_wait允许传一个超时时间。如果超过了这个时间还没有事件发生，会返回给你一个空list。也就是说，epoll也是可以“阻塞”线程的。但是我们不认为程序是“阻塞”的。因为，当epoll阻塞线程时，这时并没有任何事件需要处理。就像下面这两段程序：

Thread.sleep(1000);

以及

long start = System.currentTimeMillis();
while (System.currentTimeMillis() - start > 1000);

如果当作黑盒，两者效果是一模一样的。那么与其狂转cpu，还不如等着好了。我们之前的“定时器”示例也是如此，还不懂的话用那个例子思考一下，应该是能理解的。

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