核心区分:用户态/内核态切换 vs. 程序阻塞
关键点:
1、同步I/O操作一定会发生用户态到内核态的切换
- 当应用程序发起I/O请求(如read(), write()系统调用)时,确实会从用户态切换到内核态
- 内核处理I/O请求(准备数据、操作设备等)
2、但"等待I/O操作完成"不一定意味着"一直停留在内核态"
实际情况:
阻塞式同步I/O:
c
// 示例:read()系统调用
bytes_read = read(fd, buffer, size); // ① 用户态→内核态
// ② 内核检查数据是否就绪
// ③ 如果数据未就绪,当前线程被阻塞
// ④ 内核将CPU调度给其他进程
// ⑤ 数据就绪后,线程被唤醒,继续执行
此时线程/进程被挂起,但CPU已回到用户态执行其他进程
不是"一直停留在内核态等待"
非阻塞式同步I/O:
c
fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK);
bytes_read = read(fd, buffer, size); // 立即返回,可能返回EAGAIN
正确的表述:
"同步I/O操作会阻塞调用线程直到I/O操作完成,但这期间CPU可能被调度执行其他任务,并不是一直停留在内核态。"
对比异步I/O:
真正的异步I/O(如Linux的io_uring,Windows的IOCP):
- 发起I/O请求后立即返回
- I/O完成后通过回调或信号通知
- 等待期间完全不阻塞调用线程
总结表格:
| I/O类型 | 用户态→内核态 | 等待期间状态 | 是否阻塞调用者 |
|---|---|---|---|
| 阻塞同步I/O | 是 | 线程被挂起,CPU执行其他任务 | 是 |
| 非阻塞同步I/O | 是 | 立即返回,轮询检查 | 否(但需主动检查) |
| 异步I/O | 是 | 完全不等待,回调通知 | 否 |