网络编程入门之同步、异步、阻塞和非阻塞解析

在进行网络编程时，我们常常见到同步、异步、阻塞和非阻塞四种调用方式。这些方式彼此概念并不好理解。下面是我对这些术语的理解。

　　同步

　　所谓同步，就是在发出一个功能调用时，在没有得到结果之前，该调用就不返回。按照这个定义，其实绝大多数函数都是同步调用（例如sin, isdigit等）。但是一般而言，我们在说同步、异步的时候，特指那些需要其他部件协作或者需要一定时间完成的任务。最常见的例子就是 SendMessage。该函数发送一个消息给某个窗口，在对方处理完消息之前，这个函数不返回。当对方处理完毕以后，该函数才把消息处理函数所返回的 LRESULT值返回给调用者。

　　异步

　　异步的概念和同步相对。当一个异步过程调用发出后，调用者不能立刻得到结果。实际处理这个调用的部件在完成后，通过状态、通知和回调来通知调用者。以CAsycSocket类为例（注意，CSocket从CAsyncSocket派生，但是起功能已经由异步转化为同步），当一个客户端通过调用 Connect函数发出一个连接请求后，调用者线程立刻可以朝下运行。当连接真正建立起来以后，socket底层会发送一个消息通知该对象。这里提到执行部件和调用者通过三种途径返回结果：状态、通知和回调。可以使用哪一种依赖于执行部件的实现，除非执行部件提供多种选择，否则不受调用者控制。如果执行部件用状态来通知，那么调用者就需要每隔一定时间检查一次，效率就很低（有些初学多线程编程的人，总喜欢用一个循环去检查某个变量的值，这其实是一种很严重的错误）。如果是使用通知的方式，效率则很高，因为执行部件几乎不需要做额外的操作。至于回调函数，其实和通知没太多区别。

　　阻塞

　　阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起。函数只有在得到结果之后才会返回。有人也许会把阻塞调用和同步调用等同起来，实际上他是不同的。对于同步调用来说，很多时候当前线程还是激活的，只是从逻辑上当前函数没有返回而已。例如，我们在CSocket中调用Receive函数，如果缓冲区中没有数据，这个函数就会一直等待，直到有数据才返回。而此时，当前线程还会继续处理各种各样的消息。如果主窗口和调用函数在同一个线程中，除非你在特殊的界面操作函数中调用，其实主界面还是应该可以刷新。socket接收数据的另外一个函数recv则是一个阻塞调用的例子。当socket工作在阻塞模式的时候，如果没有数据的情况下调用该函数，则当前线程就会被挂起，直到有数据为止。

　　非阻塞

　　非阻塞和阻塞的概念相对应，指在不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立刻返回。

　　对象的阻塞模式和阻塞函数调用

　　对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但是并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用特殊的函数也可以进入阻塞调用。函数select就是这样的一个例子。

　　阻塞通信

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　　通过重叠通信和计算在许多系统能提高性能。由一个智能通信控制器自动地执行通信的系统是真实的。轻－重线索是取得这种重叠的一种机制。导致好性能的一个可选的机制是使用非阻塞通信。一个阻塞发送开始调用初始化这个发送操作，但不完成它。在这个消息被从这个发送缓存拷出以前，这个发送开始调用将返回。需要一个独立的“发送完成”调用完成这个通信，例如，检验从发送缓存拷出的数据。用适当的硬件，在发送被初始化后和它完成以前，来自发送者存储的数据转换可以和在发送者完成的计算同时进行。类似地，一个非阻塞“接收开始调用”初始化这个接收操作, 但不完成它。在一个消息被存入这个接收缓存以前，这个调用将返回。须要一个独立的“接收完成”调用完成这个接收操作，并检验被接收到这个接收缓存的数据。用适当的硬件，在接收操作初始化后和它完成以前，到接收者存储的数据转换可以和计算同时进行。非阻塞接收的使用虽着信息较早地在接收缓存位置被提供，也可以避免系统缓存和存储器到存储器拷贝。

　　非阻塞发送开始调用能使用与阻塞发送一样的四种模式: 标准, 缓存, 同步和准备好模式。这些具有同样的意义。无论一个匹配接收是否已登入，能开始除“准备好”以外的所有模式的发送；只要一个匹配接收已登入，就能开始一个非阻塞“准备好”发送。在所有情况下，发送开始调用是局部的：无论其它进程的状态如何，它立刻返回。如果这个调用使得一些系统资源用完，那么它将失败并返回一个错误代码。高质量的MPI实现应保证这种情况只在“病态”时发生。即，一个MPI实现将能支持大数量挂起非阻塞操作。

　　当数据已被从发送缓存拷出时，这个发送完成调用返回。它可以带有附加的意义，这取决于发送模式。

　　如果发送模式是“同步的”，那么只有一个匹配接收已开始这个发送才能完成。即，一个接收已被登入，并已和这个发送匹配。这时，这个发送完成调用是非局部的。注意，在接收完成调用发生以前，如果一个同步、非阻塞发送和一个非阻塞接收匹配, 它可以完成。(发送者一“知道”转换将结束，它就能完成，但在接收者“知道”转换将结束以前)。

　　如果发送模式是“缓存”，并没有挂起接收，那么消息必须被缓存。这时，发送完成调用是局部的，而且无论一个匹配接收的状态如何，它必须成功。

　　如果发送模式是标准的，同时这个消息被缓存，那么在一个匹配接收发生以前，发送结束调用可以返回。另一方面，发送完成直到一个匹配接收发生才可以完成，并且这个消息已被拷到接收缓存。

　　非阻塞发送能被用阻塞接收匹配，反过来也可以。

　　给用户的建议. 一个发送操作的完成, 对于标准模式可以被延迟, 对于同部模式必须延迟, 直到一个匹配接收登入。这两种情况下非阻塞发送的使用允许发送者提前于接收者进行，以便在两进程的速度方面，计算更容忍波动。

　　缓存和准备好模式中的非阻塞发送有一个更有限的影响。一可能一个非阻塞发送将返回，而一个阻塞发送将在数据被从发送者存储拷出后返回。只要在数据拷贝能和计算同时的情况下，非阻塞发送的使用有优点。

　　消息发送模式隐含着由发送者初始化通信。当发送者初始化通信(数据被直接移到接收缓存, 并不要求排队一个挂起发送请求) 时，如果一个接收已登入，这个通信一般将有较低的额外负担。但是，只在匹配发送已发生后，一个接收操作能完成。当非阻塞接收等待发送时，没有阻塞接收，它的使用允许得到较低的通信额外负担。（给用户的建议结束）。

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　　同步与异步传输的区别

　　1,异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。

　　2,异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。

　　3,异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。

　　4,异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。

　　5,异步传输相对于同步传输效率较低。

　　同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。

　　异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。

　　在网络通信过程中，通信双方要交换数据，需要高度的协同工作。为了正确的解释信号，接收方必须确切地知道信号应当何时接收和处理，因此定时是至关重要的。在计算机网络中，定时的因素称为位同步。同步是要接收方按照发送方发送的每个位的起止时刻和速率来接收数据，否则会产生误差。通常可以采用同步或异步的传输方式对位进行同步处理。

　　1. 异步传输（Asynchronous Transmission）： 异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。一个常见的例子是计算机键盘与主机的通信。按下一个字母键、数字键或特殊字符键，就发送一个8比特位的ASCII代码。键盘可以在任何时刻发送代码，这取决于用户的输入速度，内部的硬件必须能够在任何时刻接收一个键入的字符。

　　异步传输存在一个潜在的问题，即接收方并不知道数据会在什么时候到达。在它检测到数据并做出响应之前，第一个比特已经过去了。这就像有人出乎意料地从后面走上来跟你说话，而你没来得及反应过来，漏掉了最前面的几个词。因此，每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。按照惯例，空闲（没有传送数据）的线路实际携带着一个代表二进制1的信号，异步传输的开始位使信号变成0，其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到下一个开始位到达。例如在键盘上数字“1”，按照8比特位的扩展ASCII编码，将发送“00110001”，同时需要在8比特位的前面加一个起始位，后面一个停止位。

　　异步传输的实现比较容易，由于每个信息都加上了“同步”信息，因此计时的漂移不会产生大的积累，但却产生了较多的开销。在上面的例子，每8个比特要多传送两个比特，总的传输负载就增加25%。对于数据传输量很小的低速设备来说问题不大，但对于那些数据传输量很大的高速设备来说，25%的负载增值就相当严重了。因此，异步传输常用于低速设备。

　　2. 同步传输（Synchronous Transmission）：同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，或简称为帧。

　　数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于前面提到的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。

　　帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串，类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。

　　同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。另外，同步传输的开销也比较少。例如，一个典型的帧可能有500字节（即4000比特）的数据，其中可能只包含100比特的开销。这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。随着数据帧中实际数据比特位的增加，开销比特所占的百分比将相应地减少。但是，数据比特位越长，缓存数据所需要的缓冲区也越大，这就限制了一个帧的大小。另外，帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久