【编程进阶知识】IT 技术领域中阻塞、非阻塞、同步、异步概念解析

摘要： 本文深入探讨了 IT 技术领域中阻塞、非阻塞、同步、异步等关键概念，通过详细的定义、示例、代码片段和流程图加以阐释，并以表格形式进行对比分析。为读者全面理解这些技术概念和应用提供了有价值的参考。

关键词： 阻塞、非阻塞、同步、异步

一、阻塞（Blocking）

定义
- 在计算机编程中，阻塞是指一个操作（如函数调用、系统调用等）在完成之前会暂停当前执行的线程或进程，使其进入等待状态，直到该操作完成为止。
示例
- 在网络编程中，当使用阻塞式的套接字（Socket）接收数据时，如果没有数据到达，调用接收数据的函数（如recv函数）将会阻塞当前线程，直到有数据可接收或者发生错误。
- 例如在一个简单的文件读取操作中，如果使用阻塞式的文件读取函数，当文件系统忙于处理其他任务时，读取进程将暂停等待，直到文件读取操作可以继续进行。
Java 代码示例

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;public class BlockingExample {public static void main(String[] args) {try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader("test.txt"))) {// 这里的 readLine() 方法是阻塞的，会一直等待直到读取到一行数据或文件结束String line = reader.readLine();System.out.println("读取到的数据: " + line);} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

流程图

graph TD
A[开始] --> B[执行阻塞操作，如文件读取或网络接收]
B --> C[线程进入等待状态，直到操作完成]
C --> D[操作完成，获取结果]
D --> E[继续执行后续代码]
E --> F[结束]

二、非阻塞（Non - blocking）

定义
- 非阻塞操作是指操作不会使执行线程或进程进入等待状态。如果操作不能立即完成，它会立即返回一个表示操作未完成的结果（例如错误码或者特殊值），允许程序继续执行其他任务。
示例
- 在网络编程中，非阻塞套接字的recv函数调用时，如果没有数据可读，函数不会阻塞，而是立即返回一个特殊值（例如在 Unix 系统中可能返回EWOULDBLOCK或EAGAIN），这样程序就可以去执行其他操作，如处理已经接收到的数据或者发送新的数据。
- 对于非阻塞的文件 I/O 操作，如果文件不能立即被读取，函数会返回一个状态值，程序可以继续处理其他逻辑，之后再轮询查看文件是否可读。
Java 代码示例（使用 Java NIO 的非阻塞示例）

import java.io.IOException;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.SocketChannel;public class NonBlockingExample {public static void main(String[] args) throws IOException {// 创建一个非阻塞的 SocketChannelSocketChannel socketChannel = SocketChannel.open();socketChannel.configureBlocking(false);// 连接到服务器socketChannel.connect(new java.net.InetSocketAddress("localhost", 8080));while (!socketChannel.finishConnect()) {// 可以在这里执行其他任务，因为连接操作是非阻塞的System.out.println("正在连接...");}// 准备发送数据ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(1024);buffer.put("Hello, Server!".getBytes());buffer.flip();// 发送数据，这里也是非阻塞的，如果缓冲区已满可能立即返回while (buffer.hasRemaining()) {socketChannel.write(buffer);}// 准备接收数据buffer.clear();// 接收数据，同样是非阻塞的int bytesRead = socketChannel.read(buffer);if (bytesRead > 0) {buffer.flip();byte[] data = new byte[bytesRead];buffer.get(data);System.out.println("接收到的数据: " + new String(data));} else if (bytesRead == -1) {// 连接关闭socketChannel.close();}socketChannel.close();}
}

流程图

graph TD
A[开始] --> B[执行非阻塞操作]
B --> C[操作立即返回结果或状态，表示是否完成]
C --> D[如果未完成，执行其他任务或轮询检查操作是否完成]
D --> E[当操作完成，获取结果]
E --> F[继续执行后续代码]
F --> G[结束]

三、同步（Synchronous）

定义
- 同步操作是指按照顺序依次执行的操作模式。在同步模式下，一个操作必须等待前一个操作完成后才能开始。调用者会在原地等待被调用者的返回结果，在这个过程中调用者不能去做其他事情。
示例
- 在单线程的程序中，如果有一系列的数据库操作，如先插入一条记录，然后更新这条记录，在同步模式下，更新操作必须等待插入操作完全成功后才会开始执行。
- 当使用同步的 HTTP 请求时，发送请求的代码会等待服务器响应返回后才继续执行后续代码，整个流程是顺序执行的。
Java 代码示例（同步 HTTP 请求示例）

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;public class SynchronousHttpExample {public static void main(String[] args) {try {// 发送同步 HTTP GET 请求URL url = new URL("https://www.example.com/api/data");HttpURLConnection connection = (HttpURLConnection) url.openConnection();connection.setRequestMethod("GET");int responseCode = connection.getResponseCode();if (responseCode == HttpURLConnection.HTTP_OK) {BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(connection.getInputStream()));String inputLine;StringBuilder response = new StringBuilder();while ((inputLine = in.readLine())!= null) {response.append(inputLine);}in.close();System.out.println("服务器响应: " + response.toString());} else {System.out.println("请求失败，响应代码: " + responseCode);}connection.disconnect();} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}}
}

流程图

graph TD
A[开始] --> B[执行操作 1]
B --> C[等待操作 1 完成]
C --> D[执行操作 2（操作 2 需等待操作 1 完成）]
D --> E[等待操作 2 完成]
E --> F[继续执行后续代码]
F --> G[结束]

四、异步（Asynchronous）

定义
- 异步操作是指操作被发起后，调用者不需要等待操作完成就可以继续执行其他操作。当操作完成时，会通过某种方式（如回调函数、事件通知等）通知调用者操作的结果。
示例
- 在 JavaScript 中，使用setTimeout函数是异步操作的一个例子。当调用setTimeout时，它会安排一个定时器，然后程序可以继续执行其他代码，当定时器到期时，指定的回调函数会被执行。
- 在异步的网络请求中，发送请求后，程序可以继续处理其他事务，当服务器响应到达时，通过预先注册的回调函数来处理响应结果。
Java 代码示例（使用 CompletableFuture 实现异步操作）

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;public class AsynchronousExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {// 异步执行一个任务CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {try {Thread.sleep(3000); // 模拟耗时操作return "异步任务完成";} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}});// 可以在这里继续执行其他代码，而无需等待异步任务完成System.out.println("主线程继续执行其他任务...");// 获取异步任务的结果（这里会阻塞直到结果可用，但不影响之前代码的异步执行）String result = future.get();System.out.println(result);}
}

流程图

graph TD
A[开始] --> B[发起异步操作]
B --> C[继续执行其他任务，无需等待异步操作完成]
C --> D[异步操作完成，触发通知（如回调函数执行）]
D --> E[处理异步操作结果]
E --> F[结束]

五、对比表格

概念	特点	示例场景	代码示例特点（简单概括）	流程图特点（简单概括）
阻塞	操作会暂停线程等待完成	网络数据接收、文件读取	线程会等待操作完成，如文件读取时直到读取到数据或结束	线程在操作未完成时处于等待状态，完成后继续执行
非阻塞	操作立即返回状态，不等待完成	非阻塞网络编程、文件 I/O	操作返回状态值，可继续执行其他任务，如非阻塞 Socket 连接和读写	操作返回后可执行其他任务，轮询或等待完成后处理结果
同步	按顺序依次执行，等待前一个操作完成	数据库系列操作、同步 HTTP 请求	按顺序执行，等待操作完成后进行下一步，如同步 HTTP 请求等待响应	依次执行操作，每个操作完成后才进行下一个
异步	发起后无需等待完成，通过通知获取结果	JavaScript 的 setTimeout、异步网络请求	发起后可继续执行其他任务，通过回调或 Future 获取结果，如使用 CompletableFuture	发起后继续执行，完成后通过通知处理结果