多線程同步I/O與單線程異步I/O(筆記)

學習nodejs時,看到它的簡介說它是采用異步I/O與事件驅動的架構設計,搜了很多關于同步I/O和異步I/O的資料感覺也沒咋看明白,直到看了nodejs開發指南這本書第3.2節才對異步式I/O有了清晰地認識。

阻塞I/O(同步I/O)

線程在執行中如果遇到磁盤讀寫或網絡通信(統稱為 I/O 操作), 通常要耗費較長的時間,這時操作系統會剝奪這個線程的 CPU 控制權,使其暫停執行,同時將資源讓給其他的工作線程,這種線程調度方式稱為阻塞。當 I/O 操作完畢時,操作系統 將這個線程的阻塞狀態解除,恢復其對CPU的控制權,令其繼續執行。這種 I/O 模式就是通常的阻塞式 I/O(同步I/O) 。

非阻塞I/O(異步I/O)

非阻塞式 I/O(異步I/O) 則針對所有 I/O 操作不采用阻塞的策略。當線程遇到 I/O 操作時,不會以阻塞的方式等待 I/O 操作 的完成或數據的返回,而只是將 I/O 請求發送給操作系統,繼續執行下一條語句。當操系統完成 I/O 操作時,以事件的形式通知執行 I/O 操作的線程,線程會在特定時候處理這個 事件。為了處理異步 I/O,線程必須有事件循環,不斷地檢查有沒有未處理的事件,依次予以處理。

多線程同步I/O

阻塞模式下,一個線程只能處理一項任務,要想提高吞吐量必須通過多線程,一個線程阻塞時還有其他線程在工作,多線程可以讓 CPU 資源不被阻塞中的線程浪費。


多線程同步I/O

單線程異步I/O

單線程異步I/O維護一個事件隊列,程序在執行時進入事件循環等待下一個事件到來,每個異步式 I/O 請求完成后會被推送到事件隊列,等待程序進程進行處理。在這個模式下,一個線程永遠在執行計算操作,這個線程所使用的 CPU 核心利用率永遠是 100%。


單線程異步I/O

nodejs采用單線程異步I/O的優勢與弊端

優勢

從多線程同步I/O與單線程異步I/O的兩個示例圖來看,它們完成N個事件的時間理論上是一樣的,不同的是,異步式 I/O 少了多線程的開銷,對操作系統來說,創建一個線程的代價是十分昂貴的, 需要給它分配內存、列入調度,同時在線程切換的時候還要執行內存換頁,CPU 的緩存被清空,切換回來的時候還要重新從內存中讀取信息,而單線程異步I/O可以有效避免這種頻繁的上下文切換。

弊端

異步式編程的缺點在于不符合人們一般的程序設計思維,容易讓控制流變得晦澀難懂,給編碼和調試都帶來不小的困難。

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