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同步/异步
在实际的开发中，经常会听到同步、异步、阻塞、非阻塞这些编程概念，这四个技术在计算机领域占有非常重要的地位，同步和异步其实指的是，请求发起方对消息结果的获取是主动发起的，还是等被动通知的，他们描述的是消息通信的机制；
对于同步来讲，调用方发起调用，那么在没有得到结果之前，该调用就不返回，代码就定格在等待结果这里，无法继续往下执行，但调用一旦返回，就能进行下一步的处理；
而对于异步来讲，它和同步相反，调用在发出之后，这个调用就直接返回了，但是返回的不是"最终的"结果，可能是中间结果或者是一个状态。换句话说，当一个异步过程调用发出后，调用者不会立刻得到结果。而是在调用发出后，被调用者通过状态、通知来通知调用者，或通过回调函数来告知调用方结果，此时调用方并不会等待结果的返回，而是继续往下执行，当收到调用结束的通知时再继续处理；
异步消息通知机制
对于通知调用者的三种方式，具体如下；
状态：即监听被调用者的状态（轮询），调用者需要每隔一定时间检查一次，效率会很低；
通知：当被调用者执行完成后，发出通知告知调用者，无需消耗太多性能；
回调：与通知类似，当被调用者执行完成后，会调用调用者提供的回调函数；
中间结果
其实同步异步和我们的进程池很像，我们在使用multiprocessing.Pool去创建进程池时，如果调用apply_sync会处于同步状态，主进程会等待子进程结束之后才能进行下一步工作，这就是一个同步的事物，但是如果我们使用apply_async，我们主进程就不需要去等待这个子进程执行完成，一样可以进行下一步的工作，并且通过callback的方式来通知调用方，这就是一个异步的事物；
那么什么是中间结果呢，可以看到如下代码，我们使用apply_async来开启一个异步任务，异步任务会拿到一个result返回值，通过结果可以看到，这个result返回值是一个ApplyResult对象，返回的是一个result对象，它并非最终结果，这就是中间值；
def calc():
sum=0
for i in range(90000000):
sum+=1
pool=multiprocessing.Pool(processes=4,)
for _ in range(4):
result=pool.apply_async(calc,)
print(result) # ApplyResult对象
pool.close()
pool.join()
# <multiprocessing.pool.ApplyResult object at 0x10545d160>
# <multiprocessing.pool.ApplyResult object at 0x10545d240>
# <multiprocessing.pool.ApplyResult object at 0x10545d320>
# <multiprocessing.pool.ApplyResult object at 0x10545d3c8>
- 注意：
所以，同步异步在编程个范围内的解释就是，请求发起方发起请求时能不能直接拿到请求的"最终"数据，如果能拿到请求的"最终"数据，那么这就是一个同步请求， 如果拿不到想要的数据，或者不是最终的数据(有可能是一个中间结果)，那么这个请求就是一个异步请求；
- 重点：
关注的是消息通知机制，同步异步的主要区别就是调用者是否能够立即得到最终结果；
阻塞/非阻塞
同步异步强调的结果，最终的结果，阻塞和非阻塞关注的是程序在等待调用结果(消息、返回值)时的状态.，同步异步关注结果最终结果，如果是阻塞，那就说明调用者只能死等下去，在等待的过程中什么其他任务都不能执行，而非阻塞，则调用者在等待时可以先去处理其他的任务，不用一直干等下去；
- 重点：
关注的是等待消息时自己的状态，阻塞与非阻塞主要区别就是强调调用者是否需要一直等待；
组合
同步、异步、阻塞、非阻塞，两两结合就能形成四种常见的IO模型，最常使用的就是同步阻塞和异步非阻塞；
同步阻塞：调用者向被调用者发起请求，在没拿到请求结果之前，将一直等待，无法继续往下执行，直至获得所需的资源。
同步非阻塞：调用者向被调用者发起请求，被调用者会返回一个状态值，如，处理完成为True，未处理完成为False，调用者不会在此等待，会继续往下执行，但是调用者会周期性反复查看这个状态值是否为真；
异步阻塞：调用者向被调用者发起请求，被调用者返回了一个状态值，但是调用者却还是一直等待结果返回；
异步非阻塞：类似回调函数，当调用者发起调用之后，就继续处理其他事情，调用者处理完成之后，通过回调函数来通知调用者；
# 举例
同步阻塞：小明一直盯着下载进度条，到 100% 的时候就完成；
同步体现在：等待下载完成通知；
阻塞体现在：等待下载完成过程中，不能做其他任务处理；
同步非阻塞：小明提交下载任务后就去干别的，每过一段时间就去瞄一眼进度条，看到 100% 就完成；
同步体现在：等待下载完成通知；
非阻塞体现在：等待下载完成通知过程中，去干别的任务了，只是需要时不时会瞄一眼进度条，小明必须要在两个任务间切换，关注下载进度；
异步阻塞：小明换了个有下载完成通知功能的软件，下载完成就"叮"一声。不过小明不做别的事，仍然一直等待“叮”的声音；
异步体现在：下载完成"叮"一声通知；
阻塞体现在：等待下载完成“叮”一声通知过程中，不能做其他任务处理；
异步非阻塞：仍然是那个会"叮"一声的下载软件，小明提交下载任务后就去干别的，听到“叮”的一声就知道完成了；
异步体现在：下载完成"叮"一声通知；
非阻塞体现在：等待下载完成"叮"一声通知过程中，去干别的任务了，只需要接收"叮"声通知即可，软件处理下载任务，小明处理其他任务，不需关注进度，只需接收软件“叮”声通知，即可；
也就是说，同步/异步是"下载完成消息"通知的方式（机制），而阻塞/非阻塞则是在等待"下载完成消息"通知过程中的状态（能不能干其他任务），在不同的场景下，同步/异步、阻塞/非阻塞的四种组合都有应用；
所以，综上所述，同步和异步仅仅是关注的消息如何通知的机制，而阻塞与非阻塞关注的是等待消息通知时的状态。也就是说，同步的情况下，是由处理消息者自己去等待消息是否被触发，而异步的情况下是由触发机制来通知处理消息者，所以在异步机制中，处理消息者和触发机制之间就需要一个连接的桥梁。在小明的例子中，这个桥梁就是软件"叮"的声音；
操作系统知识
Intel的x86处理器是通过Ring级别来进行访问控制的，级别共分4层，RING0,RING1,RING2,RING3。Windows只使用其中的两个级别RING0和RING3。RING0层拥有最高的权限，RING3层拥有最低的权限。按照Intel原有的构想，应用程序工作在RING3层，只能访问RING3层的数据，操作系统工作在RING0层，可以访问所有层的数据，而其他驱动程序位于RING1、RING2层，每一层只能访问本层以及权限更低层的数据。如果普通应用程序企图执行RING0指令，则Windows会显示“非法指令”错误信息；
RING设计的初衷是将系统权限与程序分离出来，使之能够让OS更好的管理当前系统资源，也使得系统更加稳定。举个RING权限的最简单的例子：一个停止响应的应用程序，它运行在比RING0更低的指令环上，你不必大费周章的想着如何使系统恢复运作，这期间，只需要启动任务管理器便能轻松终止它，因为它运行在比程式更低的RING0指令环中，拥有更高的权限，可以直接影响到RING0以上运行的程序；
当然有利就有弊，RING保证了系统稳定运行的同时，也产生了一些十分麻烦的问题。比如一些OS虚拟化技术，在处理RING指令环时便遇到了麻烦，系统是运行在RING0指令环上的，但是虚拟的OS毕竟也是一个系统，也需要与系统相匹配的权限。而RING0不允许出现多个OS同时运行在上面，最早的解决办法便是使用虚拟机，把OS当成一个程序来运行。后来才有了更新的技术解决了此问题；
Ring0级：这里面就是一些特权级别指令，可以访问所有级别数据，也可以访问I/O设备等；
Ring3级：最低级别，只能访问本级数据；
物理内存
内核代码运行在Ring0，用户代码运行在Ring3，访问一些硬件设备，比如I/O设备，往往得到驱动层的支持，也就是Ring0级，换句话说，我们要读取一个文件，或者读取一个网络I/O，这个时候就不行进程能干的事了，这个时候，就得向操作系统的内核发起请求，让操作系统来帮助进行将这个事情完成，而操作系统很多的指令都是在Ring0级别的；
现代操作系统采用了虚拟存储器，在早起的计算机可能计算机才2G的内存，但是你会发现2G的一个内存一样可以很流程的使用，甚至有的时候还能使用超过2G的内存，这个时候一样可以使得操作系统正常的运行；
究其原因是因为，对于操作系统来讲，内存其实分为两种，一种叫做物理内存，就是我们所理解的实打实的的内存卡，还有一种叫虚拟内存空间，虚拟内存空间实际上是一个进程认为自己能够访问的空间，每一个进程都认为，自己能够独占当前操作系统上的所有内存资源，其实它看到的是一个假象，这个时候内存就是一种虚拟的存储；
那么这个内存的高地址，有一部分是被操作系统占用的，所以我们早起在使用Windows32位系统时，我们会发现虽然我们机器上有4G内存，但是实际上有1G的内存我们无法使用，应用程序只能使用剩下的那3G，也就是说，在32位系统时，每个进程自以为自己能够使用4G内存，实际上根本无法使用这么多；
虚拟内存
那么当物理内存耗尽时，这个时候我们就需要利用到另一种内存，即虚拟内存，这个虚拟内存往往是一个磁盘上的文件，在unix下叫做swap，它实际上就是文件系统上的一个分区，当物理内存真的不够使用时，会将虚拟内存和物理内存拼接起来，一起向操作系统提供内存需求，但是这带来的问题是严重的，因为内存是高I/O设备，但是swap是一个磁盘，一个低I/O设备，所以会带来严重的性能问题，这是在不得已下才会使用；
应用程序
操作系统的内核代码，都是运行在Ring0这个特权区域的，这里面的指令是不允许低级别程序直接使用，它们拥有访问所有硬件设备的所有权限，所以Ring0这部分我们称之为内核态，也称之为内核空间；
普通的应用程序都是运行在用户空间的(用户态)，即Ring3，那么在用户空间的应用程序，如果想访问磁盘上的某一个文件时，它不能自己直接去访问磁盘上的文件，它没有权限，它必须调用操作系统提供的系统调用；
此时有两种方式，方式一，直接去调用系统提供的编程接口，这个编程接口叫系统调用，即System Call Interface，但是这个太难调用了，索一大多数情况下我们都不会使用方式一 ，那么方式二就来了，我们在系统调用之上方一个C语言写的库，这个库是在用户空间的，用户可以直接调用这个库，然后由这个C写的库去转而调用System Call Interface，这样我们的操作就简化了；
在前面的Socket的章节，我们说过sendfile的概念，当一个进程在请求读取一个文件时，首先运行在用户空间的进程，会向操作系统发起系统调用，然后由内核将数据读取到内核的内存空间，然后内核会将内核的内存空间的数据拷贝到用户空间去，所以说，内核空间的数据是一个临时数据，数据最终都会拷贝到用户空间去，这样应用程序才能使用它；
那么如果我们现在需要对端主机发送一个数据，发送数据会用到网络子系统，那么在这种场景下，首先我们用户空间的进程必须请求操作系统(内核)来读取这个数据，然后内核会将这个数据读取到自己的内存空间，然后复制到用户空间，那么又因为，我们需要发送数据，所以我们又必须将这个数据发送到内核空间的内存空间去，然后调用操作系统网络子系统将这个数据从网络接口发送出去，所以这里面就存在的数据的多余复制，那么sendfile就省掉了一次拷贝的过程，sendfile是当内核将这个数据读取出来之后，直接从网络接口发送到对端主机，不用再拷贝到用户空间一趟；
进程切换
为了控制进程的执行，内核必须有能力挂起正在CPU上运行的进程，并恢复以前挂起的某个进程的执行。这种行为被称为进程切换。因此可以说，任何进程都是在操作系统内核的支持下运行的，是与内核紧密相关的。
从一个进程的运行转到另一个进程上运行，这个过程中经过下面这些变化；
1、保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器；
2、更新PCB信息；
3、把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列；
4、选择另一个进程执行，并更新其PCB；
5、更新内存管理的数据结构；
6、恢复处理机上下文；
文件描述符
文件描述符（File descriptor）是计算机科学中的一个术语，是一个用于表述指向文件的引用的抽象化概念，文件描述符在形式上是一个非负整数。实际上，它是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表。当程序打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符。在程序设计中，一些涉及底层的程序编写往往会围绕着文件描述符展开。但是文件描述符这一概念往往只适用于UNIX、Linux这样的操作系统；
