Asynchronous / Non-Blocking I/O

被說要多唸點書 QQ

在某次經驗中被說要多唸點書，所以整理一下 Asynchronous 跟 Non-Blocking I/O 的特性。

I/O

在 Unux / Linux 的環境中，I/O 都是針對一個 File Descriptor 操作，可能針對檔案、網路封包等 I/O 來讀寫檔案。根據讀/寫狀態可以分為 Blocking/Non-Blocking 與 Synchronous/Asynchronous 共四種。

Blocking I/O

在 OS 系統中通常提供的基本 I/O 會是 Blocking I/O：也就是針對一個 FD 做讀/寫時，就會需要等到 I/O 完成才會進行下一個步驟，當然 OS 可能會發送一個 Interrupt 中斷這個 I/O。因為依序執行且會等待 I/O 結束才會進行下一個步驟，對於較慢 I/O 的環境 (e.g. 網路環境) 就會讓 process 等待而浪費資源。

Non-Blocking I/O

跟 Blocking 相反的，Non-Blocking I/O 代表每一次 I/O 操作都會盡可能回覆而不讓 process 等待 I/O。在 C 的世界中可以透過 fcntl 來修改 fd 的屬性：利用 O_NONBLOCK 讓 I/O 變成 Non-Blocking 模式。在這個模式下，kernel 會盡其所能的 I/O，但即使沒有資料出現也會立即回傳。當沒有資料讀/寫則會標記 EAGAIN 。

fcntl(fd, F_SETFD, O_NONBLOCK);
while (0 != (tmp = read(fd, buff, sizeof(buff)))) {
    if (-1 == tmp) {
        switch (errno) {
            case EAGAIN:
                break;
            default:
                fprintf(stderr, "error - %s\n", strerror(errno));
                goto END;
                break;
        }
        continue;
    }
    len += tmp;
    fprintf(stdout, "read : %zu bytes\n", tmp);
}

Asynchronous - Blocking I/O

這是同事推薦的文章提到關於 Asynchronous I/O 的的特性：裡面提到 select 是一種 multiplexing I/O 的概念。這代表即使在另一個 thread 正在 I/O 也不會影響主 thread 的運作。同時， I/O 函數也會在呼叫時 Blocking 直到有任何一個 I/O 可以操作。

透過 OS 提供的 system call 來做到多 FD 同時操作 I/O 的概念， select 就可以在 user-space 一次監控多個 FD 並當有一個或多個 FD 可以 I/O 時，則會回傳可 I/O 的 FD 數量。另外還可設定 timeout 參數來更進一步做到 Non-Blocking I/O，也就是當 timeout 發生時，則會回傳 0 並立即結束。