异步I/O和同步I/O

点外卖” 和 “自己做饭” 的生活场景来类比 Linux 中的 异步 I/O（AIO） 和 同步 I/O（Synchronous I/O）

1. 同步 I/O（Synchronous I/O）—— 自己做饭

场景

假设你饿了，决定 自己做饭：

1. 第一步：去菜市场买菜（相当于 read() 从磁盘读取数据）
   • 你必须亲自去菜市场，站在摊位前等老板把菜给你（阻塞）。
   • 如果菜市场没菜了，你得一直等（数据未就绪时阻塞）。
2. 第二步：回家做饭（相当于 CPU 处理数据）
   • 买菜回来后，你才能开始洗菜、切菜、炒菜（顺序执行）。
3. 第三步：吃饭（相当于程序继续执行后续逻辑）
   • 饭做好后，你才能吃（必须等前一步完成）。

同步 I/O 的特点

• 阻塞：你必须亲自完成每一步，不能同时做其他事（比如不能一边买菜一边炒菜）。
• 顺序执行：必须按 买菜 → 做饭 → 吃饭 的顺序来，不能跳过或并行。
• 简单但低效：如果买菜或做饭很慢，你只能干等着，浪费时间。

Linux 中的同步 I/O 例子

• read() / write()：直接读写文件，如果数据没准备好，程序会卡住（阻塞）。
• epoll() + 非阻塞 I/O：虽然可以同时监控多个文件描述符，但每次读写仍然需要手动检查数据是否就绪（类似“频繁去菜市场看菜到了没”）。

2. 异步 I/O（Asynchronous I/O, AIO）—— 点外卖

场景

假设你饿了，决定 点外卖：

1. 第一步：在手机上下单（相当于提交异步 I/O 请求）
   • 你只需要在美团/饿了么上点“提交订单”（非阻塞），然后可以继续刷抖音、打游戏（程序继续执行其他任务）。
2. 第二步：外卖小哥送餐（相当于内核在后台处理 I/O）
   • 商家接单、做饭、打包、骑手取餐、送货，这些过程你完全不用管（内核在后台完成 I/O 操作）。
3. 第三步：收到外卖通知（相当于回调函数或信号通知）
   • 手机“叮”一声，提示“外卖已送达”（通过回调或信号通知程序 I/O 完成）。
   • 你下楼取餐，然后吃饭（程序处理完成后的逻辑）。

异步 I/O 的特点

• 非阻塞：下单后你可以继续干其他事，不用站在厨房等饭做好。
• 并行处理：外卖小哥、商家、骑手可以同时工作（内核在后台高效处理 I/O）。
• 高效但复杂：你需要留手机号（回调函数）或设置提醒（信号），否则可能错过外卖。

Linux 中的异步 I/O 例子

• io_uring（Linux 5.1+ 推荐）：
  • 像“美团外卖”一样高效，支持文件、网络等异步 I/O。
  • 程序提交订单（io_uring_prep_read），然后继续执行其他任务，内核完成后通知（io_uring_wait_cqe）。
• libaio（较旧）：
  • 类似“老式外卖平台”，功能有限，但也能实现异步文件 I/O。

3. 同步 vs 异步：外卖 vs 做饭

4. 实际代码类比

(1) 同步 I/O（自己做饭）

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char buf[1024];
    // 阻塞式读取文件（相当于站在菜市场等菜）
    ssize_t n = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf)); 
    if (n > 0) {
        // 读取完成后才能继续处理（相当于做饭）
        write(STDOUT_FILENO, buf, n); 
    }
    return 0;
}

• 问题：如果 read() 很慢（比如从硬盘读取大文件），程序会卡住，无法做其他事。

(2) 异步 I/O（点外卖）

#include <liburing.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

void callback(struct io_uring_cqe *cqe) {
    printf("外卖已送达！读取了 %d 字节\n", cqe->res);
}

int main() {
    struct io_uring ring;
    io_uring_queue_init(32, &ring, 0); // 初始化“外卖平台”

    int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    char buf[1024];
    
    // 提交异步读请求（相当于下单）
    struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    io_uring_prep_read(sqe, fd, buf, sizeof(buf), 0);
    io_uring_submit(&ring); // 告诉内核：“我点单了，你去做吧！”

    printf("下单成功！继续刷抖音...\n"); // 程序继续执行其他任务

    // 稍后检查外卖状态（相当于等手机通知）
    struct io_uring_cqe *cqe;
    io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    callback(cqe); // 处理完成事件（取外卖）
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe); // 标记“已取餐”

    io_uring_queue_exit(&ring);
    close(fd);
    return 0;
}

• 优势：提交请求后，程序可以继续做其他事，内核在后台高效处理 I/O。

5. 总结

• 同步 I/O（自己做饭）：简单但低效，适合简单任务。
• 异步 I/O（点外卖）：高效但复杂，适合高并发场景（如 Nginx、Redis、数据库）。
• Linux 推荐：
  • 高性能文件 I/O：io_uring（现代外卖平台）
  • 网络 I/O：epoll() + 非阻塞 I/O（类似“多线程做饭”）