面试题：网络编程中I/O模型之阻塞I/O与非阻塞I/O的区别

Question

请详细阐述网络编程中阻塞I/O和非阻塞I/O的工作原理，并且说明它们在实际应用场景中的优缺点。

Answer 1

阻塞I/O工作原理

1. 概念：在阻塞I/O模型中，当应用程序调用I/O操作（如读/写）时，该线程会被阻塞，直到I/O操作完成。
2. 流程：以读操作为例，当调用read函数时，内核会检查数据是否就绪。如果数据没有就绪，线程就会被挂起，进入睡眠状态，等待数据到达。一旦数据就绪，内核将数据从内核空间复制到用户空间，read函数返回，线程被唤醒，继续执行后续代码。

非阻塞I/O工作原理

1. 概念：非阻塞I/O允许应用程序在发起I/O操作后，不必等待操作完成就可以继续执行其他任务。
2. 流程：同样以读操作为例，当调用read函数时，如果数据没有就绪，内核不会将线程挂起，而是立即返回一个错误（如EWOULDBLOCK或EAGAIN）。应用程序可以继续执行其他代码，然后通过轮询等方式再次调用read函数，直到数据就绪，此时内核将数据从内核空间复制到用户空间，read函数返回成功。

阻塞I/O在实际应用场景中的优缺点

1. 优点
   • 简单直观：编程模型简单，易于理解和实现，对于简单的单线程应用程序，不需要复杂的异步处理逻辑。
   • 稳定性好：由于I/O操作是顺序执行的，不会出现异步操作带来的竞态条件等问题，程序的稳定性较高。
2. 缺点
   • 效率低：在I/O操作阻塞期间，线程无法执行其他任务，浪费了CPU资源，特别是在I/O操作耗时较长的情况下，会导致整个程序的性能下降。
   • 并发能力差：不适用于高并发场景，因为每个I/O操作都会阻塞线程，无法同时处理多个并发的I/O请求。

非阻塞I/O在实际应用场景中的优缺点

1. 优点
   • 高并发处理能力：可以在同一线程内处理多个I/O请求，通过轮询或事件驱动的方式，提高了程序的并发处理能力，适用于高并发的网络应用，如Web服务器。
   • 资源利用率高：在I/O操作未就绪时，线程可以继续执行其他任务，不会被阻塞，提高了CPU的利用率。
2. 缺点
   • 编程复杂：需要使用轮询或事件驱动等机制来处理I/O操作，编程模型相对复杂，容易出现错误，特别是在处理复杂的业务逻辑时，代码的维护难度较大。
   • 增加CPU开销：轮询操作会增加CPU的负担，如果轮询频率过高，会导致CPU资源浪费。同时，事件驱动的实现也需要额外的系统开销来管理事件队列等。