1. 同步 (Synchronous) vs 异步 (Asynchronous)

• 同步：同步意味着在发出一个调用时，调用方必须等待这个调用完成，然后才能继续执行后续的代码。在网络编程中，这意味着发出 I/O 操作时（例如 read 或 write），程序会等待操作完成（即等到数据读取/写入完成后才会返回），后续的代码只有在 I/O 操作完成后才能继续执行。

• 异步：与同步相反，异步意味着在发出一个调用后，调用立即返回，调用方无需等待操作完成就可以继续执行后续代码。I/O 操作通常会在后台进行，操作完成后再通过通知机制（比如回调函数、信号或事件）告知调用方。比如在网络编程中，使用 select、poll、epoll 或 IOCP 就是一种异步编程。

例子：

• 同步：你去银行取钱，必须等银行处理完毕并给你钱后，才能去做别的事情。

• 异步：你去银行取钱，先给银行员递交材料，然后可以去做别的事情，等银行完成后，会通过短信通知你去取钱。

2. 阻塞 (Blocking) vs 非阻塞 (Non-blocking)

• 阻塞：阻塞操作意味着调用线程会被挂起，直到操作完成为止。在阻塞模式下，CPU 会等待，直到 I/O 操作完成，期间不做任何其他工作。大多数的同步操作默认都是阻塞的。

• 非阻塞：非阻塞操作意味着调用线程在发起操作后，不会等待操作完成，立即返回。如果操作没有立即完成（比如没有数据可以读取），函数会返回一个错误或者标识符（比如 EWOULDBLOCK），表明当前操作未能完成。程序可以继续执行其他操作，而不需要等待当前操作结束。

例子：

• 阻塞：你打电话给一个客服，客服让你等一下，直到他完成查询操作，你一直等待不能挂断，直到操作结束。

• 非阻塞：你打电话给客服，客服让你稍等，但你可以选择挂掉电话，之后他们完成查询会再给你打回来。

3. 两者之间的关系

- 同步 vs 阻塞的关系

同步和阻塞经常同时出现，但它们不是完全相同的概念。同步强调的是调用过程，阻塞强调的是线程状态。

• 同步阻塞：最常见的组合。比如网络 I/O 操作，程序发出一个请求并等待结果，在此期间线程挂起，直到 I/O 操作完成。

  • 例子：调用 recv() 函数时，直到读取到数据或遇到错误，程序才会继续执行后续代码。

• 同步非阻塞：同步的调用依然要等结果完成，但调用时线程不会被挂起，可以继续做其他工作，直到结果准备好。

  • 例子：程序调用 select() 轮询 I/O 事件，等待直到有数据可读，但期间程序可以查询状态或执行其他任务。

- 异步 vs 非阻塞的关系

异步和非阻塞也常常配合使用，但也有区别。

• 异步非阻塞：典型的异步操作是非阻塞的，调用后立即返回，程序不需要等待操作完成，通过某种机制（如回调、事件通知等）来处理结果。

  • 例子：WSARecv() 异步接收数据，调用立即返回，操作完成后通过 IOCP 机制通知结果。

• 异步阻塞：虽然少见，但理论上也可以出现，异步操作发出后，仍然可以选择阻塞线程，直到操作完成。

  • 例子：虽然 select() 是异步轮询机制，但调用时如果没有事件发生，线程可能仍然会阻塞等待。

4. 组合与实际应用

• 同步阻塞：这是最常见的网络编程模式，也是最简单的模型。像 read()、write() 这些系统调用默认都是同步阻塞的。

  • 优点：编程简单，逻辑清晰。

  • 缺点：效率低，因为线程会被挂起，浪费了 CPU 资源。

• 同步非阻塞：通常是通过轮询机制实现，比如使用 select() 或 poll() 在等待 I/O 完成时，不会挂起线程，而是让程序可以轮询多个文件描述符。

  • 优点：可以在等待期间继续处理其他任务。

  • 缺点：编程复杂度增加，CPU 资源利用率不高（忙等待或轮询会消耗资源）。

• 异步非阻塞：这是高性能服务器常用的模型，IOCP、epoll、kqueue 等提供了非阻塞的 I/O 操作，允许程序在处理其他任务的同时等待 I/O 事件，只有在 I/O 完成时才处理结果。

  • 优点：高效利用 CPU 资源，适合处理大量并发连接的场景。

  • 缺点：编程复杂度最高，尤其是在处理多种事件（接收、发送、超时等）时。

epoll 和 IOCP的对比

IOCP 和 epoll 都属于高效的 I/O 多路复用机制，主要用于处理大量并发连接的网络应用。然而，它们的运作机制不同，因此给人带来了“同步”与“异步”的理解差异。

1. IOCP 是异步的

• IOCP（I/O Completion Ports） 是 Windows 上的一种异步 I/O 模型。

• 异步的意思是当程序发起 I/O 操作（如 WSARecv、AcceptEx）后，它不需要等待 I/O 操作完成，调用会立即返回，I/O 操作会在后台进行。当操作完成时，IOCP 会通过回调或事件通知的方式告知程序，这种行为使得程序在等待 I/O 的同时可以继续做其他事情。

• IOCP 是真正的异步模型：I/O 操作是在操作系统内核层完成的，程序并不需要在 I/O 上主动等待任何事件，内核会通过 I/O 完成端口通知线程，告诉它们操作已完成。

2. epoll 是同步的，但与异步搭配使用

• epoll 是 Linux 上的 I/O 多路复用机制，尽管很多人认为它是异步的，但从严格意义上讲，epoll 本身是同步的。

  • 当你调用 epoll_wait 时，程序会同步等待 I/O 事件发生。同步意味着线程会阻塞在 epoll_wait 上，直到某个文件描述符有 I/O 事件（例如，准备好读取或写入）。

  • 一旦有事件触发，epoll_wait 返回，你的程序还需要手动调用 read() 或 write() 等操作来处理具体的 I/O 任务。这就是为什么很多人会说 epoll 是同步非阻塞的，因为你还是需要自己去调用 I/O 操作，而不像 IOCP 那样内核直接通知你结果。

• 异步搭配：epoll 可以与异步 I/O 操作结合使用。比如，配合 O_NONBLOCK 模式的文件描述符，程序不会被 I/O 操作阻塞，从而实现非阻塞异步。然而，epoll 仅负责事件通知，不负责真正的异步 I/O 操作。

3. 同步与异步的区别

• IOCP 的异步：你发起 I/O 请求时，不需要阻塞线程等待，内核在完成 I/O 操作后会通知你，I/O 操作本身也是异步完成的。

• epoll 的同步：虽然 epoll 可以通知哪些文件描述符有事件发生，但它并不会自动完成 I/O 操作，你还是要自己调用 read 或 write，这部分操作是同步的。epoll 仅仅提供了一个等待事件发生的机制。

4. epoll 的“同步非阻塞”

• 尽管 epoll 的 epoll_wait 是一个阻塞调用，它也能配置为非阻塞模式。

  • 在非阻塞模式下，你可以使用 O_NONBLOCK 标志来使文件描述符变为非阻塞，同时使用 epoll 来监听多个文件描述符的事件。这样，程序就不会因为一个 I/O 操作（如 read 或 write）而被阻塞。

  • 这种方式通常被称为“同步非阻塞”，因为虽然 read 或 write 操作依然是同步的，但你可以避免线程因为这些操作而被阻塞。

总结

• IOCP 是异步 I/O 的代表，I/O 操作和通知机制都在内核中异步处理。

• epoll 是同步非阻塞 I/O 的代表，程序仍需同步调用 I/O 操作，但通过事件通知机制避免了单个 I/O 操作阻塞线程，提升了并发处理能力。

尽管 epoll 是同步模型，它能很好地与异步机制搭配使用，从而实现高效的 I/O 处理。