觀念詳解『阻塞、非阻塞、同步及異步』
更新於 2024/08/29閱讀時間約 4 分鐘
預備知識
一切從任務（行程或執行緒）狀態變化說起
計算機由單個程式到多個程式運行及整批系統到分時系統，這一切都是為了更有效率地使用計算機，現在我們討論在單核情況下的計算機是如何運作的，每個任務的運行都被分配一個時間片段，時間到就會發起系統中斷告知系統，讓CPU可以去執行其他任務，由於每個時間片段都時間都非常短，所以我們會覺得好像所有的任務都是同時運作的，但其實不然，這些任務是一個接著一個按照順序被執行的，我們把這個現象稱之為並行（中國用語：並發）。如果說在時間片段期間我們發起會阻塞當前任務的系統調用，那麼當前任務所有相關資訊都會被保存，然後被放入等待佇列當中，該任務狀態為阻塞，排班程式會為我們分派其他任務並且配置CPU給其使用，而這個被作業系統阻塞的任務其發起的系統調用會經由DMA來進行處理資料的交換，等待完成搬移資料會發出I／O中斷告知作業系統，此時作業系統將會從該任務暫停的地方開始繼續執行。
以下是任務狀態流程圖：
並行與平行
並行（Concurrency），中國用語並發
任務在不同時間點被分配CPU來執行處理，也就是說在同一個時間點，任務不可能同時執行的。
平行（Parallelism），中國用語並行
每一個任務都可以分別被分配至不同的CPU來執行處理，也就是說在同一個時間點下，被分配CPU的任務可以同時執行。平行是基於多核處理器才能實現的。
用一張圖說明並行與平行：
I／O與CPU傾向任務
I／O傾向任務（I／O-bound ）
CPU執行時間短，I／O執行時間長。（優先權重較CPU傾向任務高）
CPU傾向任務（CPU-bound ）
CPU執行時間長，I／O執行時間短。
阻塞、非阻塞
調用阻塞I／O
作業系統層面
任務調用阻塞I／O後，系統不會返回結果，會將當前任務相關資訊保存，並且將CPU使用權歸還，讓CPU執行其他任務，而該任務進入等待佇列，此時狀態為阻塞態，並且等待處理I／O的控制器處理完資料發出中斷告知系統，系統才會返回結果。
程式層面
因為此刻任務為阻塞態，所以什麼事都不做，就只有等待，接收到系統返回的結果後，此任務才能繼續往下執行。
調用非阻塞I／O
作業系統層面
任務調用非阻塞I／O後，系統會立即返回一結果或一個錯誤，不會將當前任務阻塞，此任務仍然被CPU執行著，佔用著CPU，CPU會一直處理狀態判斷，接收來自應用層面不斷輪詢的非阻塞調用。
程式層面
此任務透過不斷輪詢的方式，向系統檢查是否有結果，而系統會不斷返回結果給該任務。
阻塞與非阻塞的差異
- 阻塞I／O不能進行並行操作的，很重要在這裡我指的是該任務本身的程式，而不是利用作業系統的多行程／多執行緒來實現並行操作，對於非阻塞I／O來講，可以實現程式本身的並行操作，這就是為什麼非阻塞I／O執行效率比較高的一個原因。
- 非阻塞I／O調用後會立即返回結果或一個錯誤，而阻塞I／O調用後則不會立即返回
- 調用非阻塞I／O的任務，仍然佔據著CPU，所以不會被阻塞，而調用阻塞I／O的任務會釋出CPU的使用權，進入阻塞狀態
同步、異步
什麼是同步？
以例子來說，現在在腳本中有兩個函數A與B，其中在A中我們調用B函數，A函數必須等到B函數執行完，返回結果後，A函數才能繼續執行，這個期間A函數必須等待。同步有個特色那就是等待，也就是說他是順序執行一個接著一個。
什麼是異步？
當一個異步方法調用發出後，會立即返回一個錯誤或結果，讓其回到應用本身可以繼續往下執行，如果說該應用不只發出一個異步調用，彼此之間不需要等待誰先完成才能執行下一個，它們是平行操作的，執行結果誰先返回不一定，這就是異步的特色。
以下我們來看一下這段程式碼的執行結果：
可以發現上圖的異步執行結果，我們對其發出了兩個異步調用，可以看到它們的返回順序不一致，這就是異步的特色，讓其可以平行處理，不需要彼此等待。
參考來源
- 《深入淺出node.js》。朴靈。北京。人民郵電出版社。
- 【操作系统】詳解阻塞、非阻塞、同步、異步
- 行程管理『行程與執行緒概念
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本文係由國泰世華銀行邀稿。
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