这篇文章是为了准备内部的技术分享，将 ppt 的内容进行了一定的整理，作为演讲的基础。

确定这个分享内容是周末看到一篇讲 异步、并发、协程 相关的文章，想到平时的工作中虽然经常和这些概念打交道，但是却没有真正地对每个相关的概念都理解得很透彻，便决定自己整理一遍。

Unix 体系架构

Unix 体系架构 首先说到 IO，就不得不先说一说 Unix 的体系架构。由于部分指令的权限较高，一旦错用可能产生严重的后果，所以 CPU 将指令分为不同级别，内核才能调用高级别的指令，对于普通的应用程序来说，则只能调用低级别的指令。基于此，操作系统产生了三层的体系架构，分别是最内层的内核、最外层的用户空间和连接两者的系统调用。

内核拥有最高级别的权限，可以访问内存的所有数据，控制所有的硬件设备，以及执行任务调度等。而上层的应用程序则只能访问受限的内存空间，也不能访问硬件设备，其运行须依赖内核提供的资源，而且占用 CPU 资源可能被其他程序获取。为了使上层应用能够访问到这些资源，内核为上层应用提供了系统调用作为访问的接口，系统调用是系统中的最小功能单位。

用户态和内核态

用户态和内核态则是描述操作系统的两种运行状态，当一个任务(进程)执行系统调用而陷入内核代码中执行时，我们就称进程处于内核态。此时处理器处于特权级最高的内核代码。当进程在执行用户自己的代码时，则称其处于用户态。即此时处理器在特权级最低的用户代码中运行。应用程序创建的进程开始是运行在用户态的，如果需要进行 I/O 操作，则需通过系统调用从内核态将数据拷贝到用户态，这中间会经历 等待数据准备 和 拷贝数据 两个阶段。在调用 IO 操作时，应用程序与内核之间的不通交互模式就是不同的 IO 模型。

同步和异步

在讲常见的 IO 模型之前，有两对概念可以先看一看。

同步是指应用程序发起 I/O 请求后需要等待或者轮询内核 I/O 操作完成后才能继续执行。 异步是指应用程序发起 I/O 请求后仍继续执行，当内核 I/O 操作完成后会通知应用程序，或者调用应用程序注册的回调函数。 同步（Synchronised）和异步（Asynchronized）的概念描述的是应用程序与内核的交互方式，与这两个概念相关的是指令执行顺序。

简单的来说，同步是指在代码中包含 IO 操作的时候，代码是顺序执行的，IO 操作完成后，代码才会继续往下执行，而异步则是指发起 IO 操作后代码会继续往下执行，等到 IO 操作完成后，内核通过发送信号通知或者执行回调函数的方式让程序继续执行。异步需要多线程、多 CPU 或者 非阻塞 IO 的支持。

阻塞和非阻塞

阻塞是指 I/O 操作需要彻底完成后才返回到用户空间，在此之前调用线程或进程会被操作系统挂起。 非阻塞是指 I/O 操作被调用后立即返回给用户一个状态值，无需等到 I/O 操作彻底完成，而不会挂起调用线程或进程。 阻塞（Blocking）和非阻塞（Non-blocking）的概念描述的是进程或线程调用内核 I/O 操作的结果。

虽然乍一看阻塞非阻塞和同步异步有点相似，但是实际上这两组概念是完全不同的，它们之间也并没有什么必然联系。

常见的网络 IO 模型

同步阻塞IO（Blocking IO）

同步阻塞IO

1.当用户进程调用了recvfrom这个系统调用，kernel就开始了IO的第一个阶段：准备数据。(用户态切换到内核态-准备数据)

2.对于network io来说，很多时候数据在一开始还没有到达，这个时候kernel就要等待足够的数据到来。而在用户进程这边，整个进程会被阻塞。(用户态-阻塞，内核态-准备数据中)

3.当kernel一直等到数据准备好了，它就会将数据从kernel中拷贝到用户内存，然后kernel返回结果(用户态-阻塞，内核态-拷贝数据到用户进程)

4.用户进程才解除block的状态，重新运行起来。(用户态-解除阻塞，内核态-数据返回完毕)

特点：blocking IO的特点就是在IO执行的两个阶段都被block了。

同步非阻塞IO（Non-blocking IO）

同步阻塞IO

1.当用户进程发出read操作时，如果kernel中的数据还没有准备好，那么它并不会block用户进程，而是立刻返回一个error。(用户态 不阻塞——内核态-准备数据中)

2.从用户进程角度讲，它发起一个read操作后，并不需要等待，而是用户进程马上获取结果，如果结果是error，它就知道数据还没有准备好，于是它可以再次发送read操作。(用户态 不阻塞——-内核态-准备数据中)

3.一旦kernel中的数据准备好了，并且又再次收到了用户进程的system call，那么它马上就将数据拷贝到了用户内存，然后返回。(用户态 进入阻塞—–内核态-拷贝数据回进程)

特点：用户进程其实是需要不断的主动询问kernel数据好了没有。

IO多路复用（IO Multiplexing）

同步阻塞IO

1.当用户进程调用了select，那么整个进程会被block，而同时，kernel会“监视”所有select负责的socket，当任何一个socket中的数据准备好了，select就会返回。(用户态-阻塞，内核态-准备数据中并通知)

2.这个时候用户进程再调用read操作，将数据从kernel拷贝到用户进程。(用户态-阻塞，内核态-拷贝数据会用户进程)

特点：这里需要使用两个system call (select 和 recvfrom)，而blocking IO只调用了一个system call (recvfrom)。但是，用select的优势在于它可以同时处理多个connection。

这里“多路”指的是多个网络连接，“复用”指的是复用同一个线程。采用多路 I/O 复用技术可以让单个线程高效的处理多个连接请求（尽量减少网络 IO 的时间消耗）。

select 和 epoll 的区别例子：滴滴司机接到一单，乘客在地铁站，如果是 select 方式的话司机不知道乘客在哪个出口，epoll 方式则会知道具体出口。

异步IO（Asynchronous IO）

同步阻塞IO

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它收到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

另外还有一种信号驱动 IO，但是由于 tcp 连接中信号发生特别频繁，所以只适用于 UDP，使用并不广泛。

并发和并行

用户进程发起read操作之后，立刻就可以开始去做其它的事。而另一方面，从kernel的角度，当它收到一个asynchronous read之后，首先它会立刻返回，所以不会对用户进程产生任何block。然后，kernel会等待数据准备完成，然后将数据拷贝到用户内存，当这一切都完成之后，kernel会给用户进程发送一个signal，告诉它read操作完成了。

另外还有一种信号驱动 IO，但是由于 tcp 连接中信号发生特别频繁，所以只适用于 UDP，使用并不广泛。

抢占式调度和协同式调度

抢占式调度允许操作系统剥夺进程执行权限，抢占控制流，因而天然适合服务器和图形操作系统，因为调度器可以优先保证对用户交互和网络事件的快速响应。抢占式调度依赖于 CPU，只有 CPU 支持分级特权指令才能实现抢占式调度。

协同式调度则等到进程时间片用完或系统调用时转移执行权限，因此适合实时或分时等等对运行时间有保障的系统。因为协同式调度对硬件没有什么要求，所以可以运行在很多嵌入式设备上，像我们现在用的 mac 和 windows 在早期由于 CPU 不支持也是用的协同式调度。

进程、线程、协程

进程

  • 进程是资源分配的最小单位
  • 进程间不共享内存，每个进程拥有自己独立的内存
  • 进程间可以通过信号、信号量、共享内存、管道、队列等来通信
  • 新开进程开销大，并且 CPU 切换进程成本也大
  • 进程由操作系统调度
  • 多进程方式比多线程更加稳定

线程

  • 线程是程序执行流的最小单位
  • 线程是来自于进程的，一个进程下面可以开多个线程
  • 每个线程都有自己一个栈，不共享栈，但多个线程能共享同一个属于进程的堆
  • 线程因为是在同一个进程内的，可以共享内存
  • 线程也是由操作系统调度，线程是 CPU 调度的最小单位
  • 新开线程开销小于进程，CPU 在切换线程成本也小于进程
  • 某个线程发生致命错误会导致整个进程崩溃
  • 线程间读写变量存在锁的问题处理起来相对麻烦

协程

  • 对于操作系统来说只有进程和线程，协程的控制由应用程序显式调度，非抢占式的
  • 协程的执行最终靠的还是线程，应用程序来调度协程选择合适的线程来获取执行权
  • 切换非常快，成本低。一般占用栈大小远小于线程（协程 KB 级别，线程 MB 级别），所以可以开更多的协程
  • 协程比线程更轻量级

从编程角度上看，协程的思想本质上就是控制流的主动让出（yield）和恢复（resume）机制，迭代器常被用来实现协程，所以大部分的语言实现的协程中都有 yield 关键字，比如 Python、PHP、Lua。但也有特殊比如 Go 就使用的是通道来通信。Swoole 2.0、3.0、4.0 分别用不同的方式实现了协程。

参考文档