面试题：网络编程中阻塞I/O与非阻塞I/O的性能差异在实际场景中的体现

Question

请举例说明在一个简单的网络服务器应用场景下，阻塞I/O和非阻塞I/O在处理多个客户端连接时，性能上可能会出现哪些不同的表现？并分析造成这些差异的原因。

Answer 1

阻塞I/O在处理多个客户端连接时的性能表现

1. 表现：
   • 假设服务器使用阻塞I/O，在处理一个客户端连接时，当执行如recv或send操作时，如果没有数据可读或可写，线程会被阻塞，直到有数据到来或可写空间出现。这意味着在处理第一个客户端连接的I/O操作期间，其他客户端的连接请求只能等待，无法被及时处理。
   • 例如，有三个客户端A、B、C先后连接服务器。服务器先与客户端A建立连接，当执行recv操作等待A发送数据时，线程阻塞。此时B和C发起连接请求，由于服务器线程被A的I/O操作阻塞，B和C的连接请求只能在队列中等待，直到服务器处理完A的I/O操作，才会去处理B和C的连接。这就导致B和C的响应延迟较大。
2. 原因：
   • 阻塞I/O的本质特性决定了它在执行I/O操作时会阻塞当前线程。这是因为操作系统的I/O模型，在阻塞模式下，系统调用（如recv、send）会一直等待，直到操作完成或出现错误。在单线程服务器中，这就使得整个服务器在处理一个客户端I/O时无法同时处理其他客户端的请求，极大地限制了服务器的并发处理能力。

非阻塞I/O在处理多个客户端连接时的性能表现

1. 表现：
   • 采用非阻塞I/O时，服务器在执行recv或send操作时，如果没有数据可读或可写，系统调用不会阻塞线程，而是立即返回一个错误码（如EWOULDBLOCK）。服务器可以继续处理其他客户端的连接和I/O操作。
   • 例如，同样是客户端A、B、C连接服务器。服务器与A建立连接后，执行recv操作，若此时A没有数据发送，recv立即返回错误码，服务器可以接着去处理B和C的连接请求，为它们建立连接并进行相应处理。之后服务器可以通过轮询（如select、poll、epoll等多路复用技术）方式再次检查A是否有数据可读，这样可以在短时间内处理多个客户端的连接和I/O操作，减少客户端的响应延迟。
2. 原因：
   • 非阻塞I/O允许应用程序在I/O操作暂时无法完成时，不阻塞当前线程，继续执行其他任务。通过结合多路复用技术，服务器可以同时监控多个文件描述符（对应多个客户端连接）的状态变化，一旦某个文件描述符有数据可读或可写，就可以及时处理相应的I/O操作。这种机制充分利用了CPU的时间，提高了服务器的并发处理能力，从而在处理多个客户端连接时表现出更好的性能。