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下一代异步 IO io_uring 技术解密.md

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概述

Alibaba Cloud Linux 2 是阿里云操作系统团队基于开源 Linux 4.19 LTS 版本打造的一款针对云应用场景的下一代 Linux OS 发行版。在首次推出一年后，阿里云操作系统团队对外正式发布了Alibaba Cloud Linux 2 LTS 版本。LTS 版本的发布是一个重要的里程碑，标志着阿里云操作系统团队将为 Alibaba Cloud Linux 2 提供长期技术支持、稳定的更新和更好的服务，为 Alibaba Cloud Linux 2 的客户提供更多保障。

上一篇我们在 Alibaba Cloud Linux 2 上对比测试了 io_uring 与 libaio 以及 SPDK，可以看到 io_uring 带来的性能提升非常明显。这篇文章我们详细分析下 io_uring 的原理，以及我们在 io_uring 社区所做的工作。

io_uring 原理介绍

为了从根本上解决当前 Linux aio 存在的问题和约束，io_uring 从零开始全新设计的了异步 IO 框架。其设计的主要目标如下：

  • 简单易用，方便应用集成。
  • 可扩展，不仅仅为 block IO 使用，同样可以用于网络 IO。
  • 特性丰富，满足所有应用，如 buffer io。
  • 高效，尤其是针对大部分场景的 512 字节或 4K IO。
  • 可伸缩，满足峰值场景的性能需要。

io_uring 为了避免在提交和完成事件中的内存拷贝，设计了一对共享的 ring buffer 用于应用和内核之间的通信。其中，针对提交队列（SQ），应用是 IO 提交的生产者（producer），内核是消费者（consumer）；反过来，针对完成队列（CQ），内核是完成事件的生产者，应用是消费者。

img

共享环的设计主要带来以下 3 个好处：

  • 提交、完成请求时节省应用和内核之间的内存拷贝；
  • 使用 SQPOLL 高级特性时，应用程序无需调用系统调用；
  • 无锁操作，用 memory ordering 实现同步。

io_uring 系统调用

io_uring 一共提供了 3 个系统调用：io_uring_setup()，io_uring_enter()，以及io_uring_register()，位于 fs/io_uring.c。

/** * io_uring_setup - setup a context for performing asynchronous I/O */
int io_uring_setup(u32 entries, struct io_uring_params *p);
/** * io_uring_enter - initiate and/or complete asynchronous I/O */
int io_uring_enter(int fd, unsigned int to_submit, unsigned int min_complete,
                   unsigned int flags, sigset_t *sig)
 
/** * io_uring_register - register files or user buffers for asynchronous I/O */
int io_uring_register(int fd, unsigned int opcode, void *arg,
                      unsigned int nr_args)

Alibaba Cloud Linux 2 LTS 版本支持的异步操作如下，更多的特性支持持续完善中。

  • IORING_OP_NOP 仅产生一个完成事件，除此之外没有任何操作。
  • IORING_OP_READV / IORING_OP_WRITEV 提交 readv() / writev() 操作，大多数场景最核心的操作。
  • IORING_OP_READ_FIXED / IORING_OP_WRITE_FIXED 使用已注册的 buffer 来提交 IO 操作，由于这些 buffer 已经完成映射，可以降低系统调用的开销。
  • IORING_OP_FSYNC 下发 fsync() 调用。
  • IORING_OP_POLL_ADD / IORING_OP_POLL_REMOVE 使用 IORING_OP_POLL_ADD 可对一组文件描述符 (file descriptors) 执行 poll() 操作；可以使用 IORING_OP_POLL_REMOVE 显式地取消 poll()。这种方式可以用来异步地监控一组文件描述符。
  • IORING_OP_SYNC_FILE_RANGE 执行 sync_file_range() 调用，是对 fsync() 的一个增强。
  • IORING_OP_SENDMSG / IORING_OP_RECVMSG 在 sendmsg() 和 recvmsg() 基础上，提供异步收发网络包功能。
  • IORING_OP_TIMEOUT 用户态程序等待 IO 完成事件时，可以通过 IORING_OP_TIMEOUT 设置一个超时时间，类似 io_getevents(2) 的 timeout 机制。

io_uring 用户态库 liburing

为了简化使用，原作者 Jens 开发了一套 liburing 库，用户无需了解诸多 io_uring 细节便可以使用起来，如无需关心 memory barrier，以及 ring buffer 的管理等。相关接口在头文件 /usr/include/liburing.h 中定义。

Alibaba Cloud Linux 2 LTS 提供了 liburing 和 liburing-devel 包供用户安装。

sodo yum install liburing liburing-devel

基于 liburing 的一个 helloworld 示例如下：

#include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <string.h> #include <stdio.h> #include <liburing.h> #define ENTRIES 4 int main(int argc, char *argv[])
{
    struct io_uring ring;
    struct io_uring_sqe *sqe;
    struct io_uring_cqe *cqe;
    struct iovec iov = {
        .iov_base = "Hello World",
        .iov_len = strlen("Hello World"),
    };
    int fd, ret;
    if (argc != 2) {
        printf("%s: <testfile>\n", argv[0]);
        return 1;
    }
    /* setup io_uring and do mmap */
    ret = io_uring_queue_init(ENTRIES, &ring, 0);
    if (ret < 0) {
        printf("io_uring_queue_init: %s\n", strerror(-ret));
        return 1;
    }
    fd = open("testfile", O_WRONLY | O_CREAT);
    if (fd < 0) {
        printf("open failed\n");
        ret = 1;
        goto exit;
    }
    /* get an sqe and fill in a WRITEV operation */
    sqe = io_uring_get_sqe(&ring);
    if (!sqe) {
        printf("io_uring_get_sqe failed\n");
        ret = 1;
        goto out;
    }
    io_uring_prep_writev(sqe, fd, &iov, 1, 0);
    /* tell the kernel we have an sqe ready for consumption */
    ret = io_uring_submit(&ring);
    if (ret < 0) {
        printf("io_uring_submit: %s\n", strerror(-ret));
        goto out;
    }
    /* wait for the sqe to complete */
    ret = io_uring_wait_cqe(&ring, &cqe);
    if (ret < 0) {
        printf("io_uring_wait_cqe: %s\n", strerror(-ret));
        goto out;
    }
    /* read and process cqe event */
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
out:
    close(fd);
exit:
    /* tear down */
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return ret;
}

更多的示例可参考：

https://github.com/axboe/liburing/tree/master/examples/ https://github.com/axboe/liburing/tree/master/test

io_uring 高级特性

Polled IO

IORING_SETUP_IOPOLL，与非 polling 模式等待硬件中断唤醒不同，内核将采用 polling 模式不断轮询硬件以确认 IO 请求是否已经完成，这在追求低延时和高 IOPS 的应用场景非常有用。

Kernel Side Polling

IORING_SETUP_SQPOLL，当前应用更新 SQ ring 并填充一个新的 sqe，内核线程 sqthread 会自动完成提交，这样应用无需每次调用 io_uring_enter() 系统调用来提交 IO。应用可通过 IORING_SETUP_SQ_AFF 和 sq_thread_cpu 绑定特定的 CPU。 同时，为了节省无 IO 场景的 CPU 开销，该内核线程会在一段时间空闲后自动睡眠。应用在下发新的 IO 时，通过 IORING_ENTER_SQ_WAKEUP 唤醒该内核线程，该操作在 liburing 中都已封装完成。

Fixed Files

IORING_REGISTER_FILES / IORING_REGISTER_FILES_UPDATE / IORING_UNREGISTER_FILES，通过 io_uring_register() 系统调用提前注册一组 file，缓解每次 IO 操作因 fget() / fput() 带来的开销。

Fixed Buffers

IORING_REGISTER_BUFFERS / IORING_UNREGISTER_BUFFERS，通过 io_uring_register() 系统调用注册一组固定的 IO buffers，当应用重用这些 IO buffers 时，只需要 map / unmap 一次即可，而不是每次 IO 都要去做，减少get_user_pages() / put_page() 带来的开销。

Linked SQE

IOSQE_IO_LINK，建立 sqe 序列之间的关联，这在诸如 copy 之类的操作中非常有用。使用 linked sqe 后，copy 操作的写请求链接在读请求之后，应用程序无需等待读请求数据返回后再下发写请求，而是共享了同一个 buffer，避免了上下文切换的开销。

社区工作

阿里云操作系统团队在 backport io_uring 特性到 Alibaba Cloud Linux 2 的过程中，进一步优化性能，并加固 io_uring 的稳定性，相关工作以补丁的形式回馈到社区。

性能优化

  • engines/io_uring: delete fio_option_is_set() calls when submitting sqes fio io_uring 提交 IO 性能提升 30%。
  • __io_uring_get_cqe: eliminate unnecessary io_uring_enter() syscalls 在某些场景下，减少 50% 的 io_uring_enter() 系统调用开销。
  • ext4: start to support iopoll method
  • io_uring: io_uring_enter(2) don’t poll while SETUP_IOPOLL|SETUP_SQPOLL enabled 能带来 13% 的性能提升，同时减少 20% 的 CPU 开销。

代码优化和特性重构

  • io_uring: cleanup io_alloc_async_ctx()
  • io_uring: refactor file register/unregister/update handling 重构 file register/unregister/update 特性，能更好地处理大量文件场景。
  • io_uring: do not always copy iovec in io_req_map_rw()
  • io_uring: avoid whole io_wq_work copy for requests completed inline
  • io_uring: avoid unnecessary io_wq_work copy for fast poll feature
  • e697deed834d io_uring: check file O_NONBLOCK state for accept

BugFix

  • io_uring: fix __io_iopoll_check deadlock in io_sq_thread
  • io_uring: fix poll_list race for SETUP_IOPOLL|SETUP_SQPOLL
  • io_uring: restore req->work when canceling poll request
  • io_uring: only restore req->work for req that needs do completion
  • io_uring: use cond_resched() in io_ring_ctx_wait_and_kill()
  • io_uring: fix mismatched finish_wait() calls in io_uring_cancel_files()
  • io_uring: handle -EFAULT properly in io_uring_setup()
  • io_uring: reset -EBUSY error when io sq thread is waken up
  • io_uring: don’t submit sqes when ctx->refs is dying
  • io_uring: fix io_kiocb.flags modification race in IOPOLL mode
  • io_uring: don’t fail links for EAGAIN error in IOPOLL mode
  • io_uring: add memory barrier to synchronize io_kiocb’s result and iopoll_completed
  • io_uring: fix possible race condition against REQ_F_NEED_CLEANUP

原文链接：https://kernel.taobao.org/2020/08/Introduction_to_IO_uring/