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網絡編程入門之同步、異步、阻塞和非阻塞解析

日期:2017/3/2 16:32:38   编辑:Linux服務器

在進行網絡編程時,我們常常見到同步、異步、阻塞和非阻塞四種調用方式。這些方式彼此概念並不好理解。下面是我對這些術語的理解。

  同步

  所謂同步,就是在發出一個功能調用時,在沒有得到結果之前,該調用就不返回。按照這個定義,其實絕大多數函數都是同步調用(例如sin, isdigit等)。但是一般而言,我們在說同步、異步的時候,特指那些需要其他部件協作或者需要一定時間完成的任務。最常見的例子就是 SendMessage。該函數發送一個消息給某個窗口,在對方處理完消息之前,這個函數不返回。當對方處理完畢以後,該函數才把消息處理函數所返回的 LRESULT值返回給調用者。

  異步

  異步的概念和同步相對。當一個異步過程調用發出後,調用者不能立刻得到結果。實際處理這個調用的部件在完成後,通過狀態、通知和回調來通知調用者。以CAsycSocket類為例(注意,CSocket從CAsyncSocket派生,但是起功能已經由異步轉化為同步),當一個客戶端通過調用 Connect函數發出一個連接請求後,調用者線程立刻可以朝下運行。當連接真正建立起來以後,socket底層會發送一個消息通知該對象。這裡提到執行部件和調用者通過三種途徑返回結果:狀態、通知和回調。可以使用哪一種依賴於執行部件的實現,除非執行部件提供多種選擇,否則不受調用者控制。如果執行部件用狀態來通知,那麼調用者就需要每隔一定時間檢查一次,效率就很低(有些初學多線程編程的人,總喜歡用一個循環去檢查某個變量的值,這其實是一種很嚴重的錯誤)。如果是使用通知的方式,效率則很高,因為執行部件幾乎不需要做額外的操作。至於回調函數,其實和通知沒太多區別。

  阻塞

  阻塞調用是指調用結果返回之前,當前線程會被掛起。函數只有在得到結果之後才會返回。有人也許會把阻塞調用和同步調用等同起來,實際上他是不同的。對於同步調用來說,很多時候當前線程還是激活的,只是從邏輯上當前函數沒有返回而已。例如,我們在CSocket中調用Receive函數,如果緩沖區中沒有數據,這個函數就會一直等待,直到有數據才返回。而此時,當前線程還會繼續處理各種各樣的消息。如果主窗口和調用函數在同一個線程中,除非你在特殊的界面操作函數中調用,其實主界面還是應該可以刷新。socket接收數據的另外一個函數recv則是一個阻塞調用的例子。當socket工作在阻塞模式的時候,如果沒有數據的情況下調用該函數,則當前線程就會被掛起,直到有數據為止。

  非阻塞

  非阻塞和阻塞的概念相對應,指在不能立刻得到結果之前,該函數不會阻塞當前線程,而會立刻返回。

  對象的阻塞模式和阻塞函數調用

  對象是否處於阻塞模式和函數是不是阻塞調用有很強的相關性,但是並不是一一對應的。阻塞對象上可以有非阻塞的調用方式,我們可以通過一定的API去輪詢狀態,在適當的時候調用阻塞函數,就可以避免阻塞。而對於非阻塞對象,調用特殊的函數也可以進入阻塞調用。函數select就是這樣的一個例子。

  阻塞通信

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  通過重疊通信和計算在許多系統能提高性能。由一個智能通信控制器自動地執行通信的系統是真實的。輕-重線索是取得這種重疊的一種機制。導致好性能的一個可選的機制是使用非阻塞通信。一個阻塞發送開始調用初始化這個發送操作,但不完成它。在這個消息被從這個發送緩存拷出以前,這個發送開始調用將返回。需要一個獨立的“發送完成”調用完成這個通信,例如,檢驗從發送緩存拷出的數據。用適當的硬件,在發送被初始化後和它完成以前,來自發送者存儲的數據轉換可以和在發送者完成的計算同時進行。類似地,一個非阻塞“接收開始調用”初始化這個接收操作, 但不完成它。在一個消息被存入這個接收緩存以前,這個調用將返回。須要一個獨立的“接收完成”調用完成這個接收操作,並檢驗被接收到這個接收緩存的數據。用適當的硬件,在接收操作初始化後和它完成以前,到接收者存儲的數據轉換可以和計算同時進行。非阻塞接收的使用雖著信息較早地在接收緩存位置被提供,也可以避免系統緩存和存儲器到存儲器拷貝。

  非阻塞發送開始調用能使用與阻塞發送一樣的四種模式: 標准, 緩存, 同步和准備好模式。這些具有同樣的意義。無論一個匹配接收是否已登入,能開始除“准備好”以外的所有模式的發送;只要一個匹配接收已登入,就能開始一個非阻塞“准備好”發送。在所有情況下,發送開始調用是局部的:無論其它進程的狀態如何,它立刻返回。如果這個調用使得一些系統資源用完,那麼它將失敗並返回一個錯誤代碼。高質量的MPI實現應保證這種情況只在“病態”時發生。即,一個MPI實現將能支持大數量掛起非阻塞操作。

  當數據已被從發送緩存拷出時,這個發送完成調用返回。它可以帶有附加的意義,這取決於發送模式。

  如果發送模式是“同步的”,那麼只有一個匹配接收已開始這個發送才能完成。即,一個接收已被登入,並已和這個發送匹配。這時,這個發送完成調用是非局部的。注意,在接收完成調用發生以前,如果一個同步、非阻塞發送和一個非阻塞接收匹配, 它可以完成。(發送者一“知道”轉換將結束,它就能完成,但在接收者“知道”轉換將結束以前)。

  如果發送模式是“緩存”,並沒有掛起接收,那麼消息必須被緩存。這時,發送完成調用是局部的,而且無論一個匹配接收的狀態如何,它必須成功。

  如果發送模式是標准的,同時這個消息被緩存,那麼在一個匹配接收發生以前,發送結束調用可以返回。另一方面,發送完成直到一個匹配接收發生才可以完成,並且這個消息已被拷到接收緩存。

  非阻塞發送能被用阻塞接收匹配,反過來也可以。

  給用戶的建議. 一個發送操作的完成, 對於標准模式可以被延遲, 對於同部模式必須延遲, 直到一個匹配接收登入。這兩種情況下非阻塞發送的使用允許發送者提前於接收者進行,以便在兩進程的速度方面,計算更容忍波動。

  緩存和准備好模式中的非阻塞發送有一個更有限的影響。一可能一個非阻塞發送將返回,而一個阻塞發送將在數據被從發送者存儲拷出後返回。只要在數據拷貝能和計算同時的情況下,非阻塞發送的使用有優點。

  消息發送模式隱含著由發送者初始化通信。當發送者初始化通信(數據被直接移到接收緩存, 並不要求排隊一個掛起發送請求) 時,如果一個接收已登入,這個通信一般將有較低的額外負擔。但是,只在匹配發送已發生後,一個接收操作能完成。當非阻塞接收等待發送時,沒有阻塞接收,它的使用允許得到較低的通信額外負擔。(給用戶的建議結束)。

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