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同步与异步，阻塞与非阻塞的深入分析

在计算机科学中，同步与异步、阻塞与非阻塞是描述程序行为的常用术语。理解这些概念对于编写高效、可靠的程序至关重要。本文将详细分析这些概念，并结合具体例子进行说明。

同步与异步

同步（Synchronous）

同步操作指的是请求发起方在发起请求后，必须等待结果返回才能继续执行其他任务。这种模式下，程序的执行是顺序的，一个任务完成后才能开始下一个任务。

特点：

• 请求发起后，调用方必须等待结果。
• 调用方在等待期间不能执行其他任务。

例子：

• 普通B/S模式（同步）：提交请求 -> 等待服务器处理 -> 处理完毕返回。在这个过程中，客户端浏览器不能执行其他任务。

异步（Asynchronous）

异步操作则是指请求发起后，调用方不需要立即等待结果，可以继续执行其他任务。当请求处理完成时，通过状态改变、消息通知或回调函数等方式通知调用方。

特点：

• 请求发起后，调用方不需要立即等待结果。
• 调用方可以在等待期间执行其他任务。

例子：

• AJAX请求（异步）：请求通过事件触发 -> 服务器处理（浏览器仍然可以执行其他任务） -> 处理完毕。

同步异步代码示例

在C++中，同步和异步的实现可以通过多种方式完成，例如使用标准库中的线程、互斥锁、条件变量等。以下是一些示例：

同步（Synchronous）代码示例

以下是一个简单的同步文件读取示例，使用C++标准库中的文件流进行同步IO操作：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

std::string readFileSync(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    if (!file) {
        throw std::runtime_error("Unable to open file");
    }

    std::string content((std::istreambuf_iterator<char>(file)),
                         (std::istreambuf_iterator<char>()));
    return content;
}

int main() {
    try {
        std::string content = readFileSync("example.txt");
        std::cout << content << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个示例中，readFileSync函数打开文件并同步读取其内容。这将阻塞，直到文件内容被完全读取。

异步（Asynchronous）代码示例

C++11引入了std::async和std::future，可以用来实现异步操作。以下是一个使用std::async进行异步文件读取的示例：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <future>

std::string readFileAsync(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    if (!file) {
        throw std::runtime_error("Unable to open file");
    }

    std::string content((std::istreambuf_iterator<char>(file)),
                         (std::istreambuf_iterator<char>()));
    return content;
}

int main() {
    auto future = std::async(std::launch::async, readFileAsync, "example.txt");

    try {
        std::string content = future.get();  // 等待异步操作完成
        std::cout << content << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个示例中，std::async启动了一个异步任务来读取文件。future.get()会阻塞，直到异步操作完成并返回结果。

使用线程的异步示例

以下是一个更复杂的异步示例，使用C++11的线程库：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

std::string content;
std::mutex mtx;
std::condition_variable cv;
bool ready = false;

void readFileAsync(const std::string& filename) {
    std::ifstream file(filename);
    if (!file) {
        throw std::runtime_error("Unable to open file");
    }

    std::string local_content((std::istreambuf_iterator<char>(file)),
                               (std::istreambuf_iterator<char>()));
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    content = std::move(local_content);
    ready = true;
    cv.notify_one();
}

int main() {
    std::thread t(readFileAsync, "example.txt");

    std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
    cv.wait(lock, []{ return ready; });

    t.join();  // 确保线程完成执行

    try {
        std::cout << content << std::endl;
    } catch (const std::exception& e) {
        std::cerr << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个示例中，一个线程被用来异步读取文件。主线程通过std::condition_variable等待文件读取完成，然后输出内容。

示例展示了如何在C++中实现同步和异步操作。同步操作直接在主线程中完成，而异步操作则通过多线程或其他并发机制来实现。

阻塞与非阻塞

阻塞（Blocking）

阻塞调用是指在调用结果返回之前，当前线程会被挂起，直到结果返回。在阻塞期间，线程不能执行其他任务。

特点：

• 调用结果返回之前，线程被挂起。
• 线程在等待期间不能执行其他任务。

例子：

• 在socket编程中，如果缓冲区中没有数据，调用recv函数会一直等待，直到有数据才返回。此时，当前线程会被挂起。

非阻塞（Non-blocking）

非阻塞调用则是指在不能立即得到结果之前，该函数不会阻塞当前线程，而会立即返回。调用方需要周期性地检查结果是否可用。

特点：

• 调用结果未返回时，线程不会被挂起。
• 线程在等待期间可以执行其他任务。

例子：

• 如果将socket设置为非阻塞模式，调用recv函数时，如果缓冲区中没有数据，则系统调用立即返回，不会挂起线程。线程会继续轮询，直到socket内核缓冲区内有数据为止。

阻塞和非阻塞代码示例

在C++中，阻塞和非阻塞的概念通常与I/O操作相关，特别是网络编程和文件I/O。以下是使用C++进行套接字编程的阻塞和非阻塞示例。

阻塞（Blocking）I/O 示例

以下是一个使用阻塞I/O的C++网络客户端示例：

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sock == -1) {
        std::cerr << "Socket creation failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    struct sockaddr_in server_addr;
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(8080); // 假设服务器监听在8080端口
    server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // 服务器地址

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        std::cerr << "Connection failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    const char *message = "Hello, Server!";
    if (send(sock, message, strlen(message), 0) < 0) {
        std::cerr << "Send failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    char buffer[1024] = {0};
    if (recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0) < 0) {
        std::cerr << "Receive failed" << std::endl;
        return 1;
    }

    std::cout << "Server response: " << buffer << std::endl;
    close(sock);
    return 0;
}

在这个示例中，connect、send和recv函数都是阻塞调用。如果它们不能立即完成，比如服务器没有立即响应，调用线程将会被阻塞，直到操作完成。

非阻塞（Non-blocking）I/O 示例

要设置套接字为非阻塞模式，可以使用fcntl函数：

#include <fcntl.h>

以下是使用非阻塞I/O的C++网络客户端示例：

// ...（其他包含和定义与上面相同）

int setNonBlocking(int sock) {
    int opts = fcntl(sock, F_GETFL);
    if (opts < 0) {
        std::cerr << "fcntl failed" << std::endl;
        return -1;
    }
    opts = opts | O_NONBLOCK;
    if (fcntl(sock, F_SETFL, opts) < 0) {
        std::cerr << "fcntl failed" << std::endl;
        return -1;
    }
    return 0;
}

int main() {
    // ...（创建套接字的代码与上面相同）

    if (setNonBlocking(sock) < 0) {
        return 1;
    }

    // ...（设置服务器地址的代码与上面相同）

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        if (errno != EINPROGRESS) {
            std::cerr << "Connection failed" << std::endl;
            return 1;
        }
        // 连接正在进行中，可以继续其他任务
    }

    // ...（发送消息的代码与上面相同）

    char buffer[1024] = {0};
    while (recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0) < 0) {
        if (errno != EAGAIN && errno != EWOULDBLOCK) {
            std::cerr << "Receive failed" << std::endl;
            break;
        }
        // 没有数据可读，可以继续其他任务或轮询
    }

    // ...（打印服务器响应和关闭套接字的代码与上面相同）
}

在这个示例中，通过setNonBlocking函数将套接字设置为非阻塞模式。当connect、send或recv调用不能立即完成时，它们会立即返回而不是阻塞调用线程。

组合模式

同步阻塞（Synchronous Blocking）

同步阻塞模式下，调用方在发起请求后，必须等待结果返回，且在等待期间不能执行其他任务。

例子：

• 去照相馆拍照，拍完照片后，商家说需要30分钟才能洗出来照片。如果顾客在店里等待照片洗好，这个过程就是同步阻塞。

同步非阻塞（Synchronous Non-blocking）

同步非阻塞模式下，调用方在发起请求后，可以立即返回，但需要周期性地检查结果是否可用。

例子：

• 顾客在照相馆拍照后，继续在店里刷手机，时不时地询问老板照片是否洗好，这个过程就是同步非阻塞。

异步阻塞（Asynchronous Blocking）

理论上，异步阻塞模式是不存在的。因为异步操作本身就是为了不阻塞调用方，如果还要等待结果，就失去了异步的意义。

异步非阻塞（Asynchronous Non-blocking）

异步非阻塞模式下，调用方在发起请求后，可以继续执行其他任务，当请求处理完成时，通过回调或其他方式通知调用方。

例子：

• 顾客在照相馆拍照后，留下手机号，然后去公园等待老板的电话通知照片洗好，这个过程就是异步非阻塞。

图解

以下是对这些模式的图解说明：

1. 同步阻塞：
   • Sender 发送请求后，等待 Receiver 返回结果，期间 Sender 被阻塞，不能处理其他任务。

2. 同步非阻塞：

   • Sender 发送请求后，立即返回，然后不断轮询 Receiver，直到收到结果。Sender 在等待期间可以处理其他任务。

3. 异步非阻塞：

   • Sender 发送请求后，立即返回，等待 Receiver 的回调。Sender 在等待期间可以处理其他任务。

图借鉴于csdn

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