淺析 linux 異步 io 框架 io_uring

前言

Linux 內核 5.1 支持了新的異步 IO 框架 iouring，由 Block IO 大神也即 Fio 作者 Jens Axboe 開發，意在提供一套公用的網絡和磁盤異步 IO，不過 io_uring 目前在磁盤方面要比網絡方面更加成熟。

背景簡介

熟悉 Linux 系統編程的同學都清楚，Linux 並沒有提供完善的異步 IO(網絡 IO、磁盤 IO) 機制。

在網絡編程中，我們通常使用 epoll IO 多路複用來處理網絡 IO，然而 epoll 也並不是異步網絡 IO，僅僅是內核提供了 IO 複用機制，epoll 回調通知的是數據可以讀取或者寫入了，具體的讀寫操作仍然需要用戶去做，而不是內核代替完成。

在存儲 IO 棧中，做存儲的同學大都使用過 libaio，然而那是一個巨難用啊 Linux AIO 這個奇葩。首先只能在 DIO 下使用，用不了 pagecache；其次用戶的數據地址空間起始地址和大小必須頁大小對齊；然後在 submit_io 時仍然可能因爲文件系統、pagecache、sync 發生阻塞，除此之外，我們在使用 libaio 的時候會設置 io_depth 的大小，還可能因爲內核的 / sys/block/sda/queue/nr_requests(128) 設置的過小而發生阻塞；而且 libaio 提供的 sync 命令關鍵還不起作用，想要 sync 數據還得依賴 fsync/fdatasync，真的是心塞塞，libaio 想說愛你不容易啊。

所以 Linux 迫切需要一個完善的異步機制。同時在 Linux 平臺上跑的大多數程序都是專用程序，並不需要內核的大多數功能，而且這幾年也流行 kernel bypass，intel 也發起的用戶態 IO DPDK、SPDK。但是這些用戶態 IO API 不統一，使用成本過高，所以內核便推出了 io_uring 來統一網絡和磁盤的異步 IO，提供一套統一完善的異步 API，也支持異步、輪詢、無鎖、zero copy。真的是姍姍來遲啊，不過也算是在高性能 IO 方面也算是是扳回了一城。

io_uring

io_uring 的設計目標是提供一個統一、易用、可擴展、功能豐富、高效的網絡和磁盤系統接口。其高性能依賴於以下幾個方面：

  1. 用戶態和內核態共享提交隊列（submission queue）和完成隊列（completion queue）。

  2. 用戶態支持 Polling 模式，不依賴硬件的中斷，通過調用 IORING_ENTER_GETEVENTS 不斷輪詢收割完成事件。

  3. 內核態支持 Polling 模式，IO 提交和收割可以 offload 給 Kernel，且提交和完成不需要經過系統調用（system call）。

  4. 在 DirectIO 下可以提前註冊用戶態內存地址，減小地址映射的開銷。

系統 API

io_uring 提供了 3 個系統調用 API，雖然只有 3 個，但是直接使用起來還是蠻複雜的。

int io_uring_setup(unsigned entries, struct io_uring_params *params);

entries：queue depth，表示隊列深度。

io_uring_params：初始化時候的參數。

在 io_uring_setup 返回的時候就已經初始化好了 SQ 和 CQ，此外，還有內核還提供了一個 Submission Queue Entries（SQEs）數組。

之所以額外採用了一個數組保存 SQEs，是爲了方便通過 RingBuffer 提交內存上不連續的請求。SQ 和 CQ 中每個節點保存的都是 SQEs 數組的偏移量，而不是實際的請求，實際的請求只保存在 SQEs 數組中。這樣在提交請求時，就可以批量提交一組 SQEs 上不連續的請求。但由於 SQ，CQ，SQEs 是在內核中分配的，所以用戶態程序並不能直接訪問。io_setup 的返回值是一個 fd，應用程序使用這個 fd 進行 mmap，和 kernel 共享一塊內存。這塊內存共分爲三個區域，分別是 SQ，CQ，SQEs。kernel 返回的 io_sqring_offset 和 io_cqring_offset 分別描述了 SQ 和 CQ 的指針在 mmap 中的 offset。而 SQEs 則直接對應了 mmap 中的 SQEs 區域。mmap 的時候需要傳入 MAP_POPULATE 參數，以防止內存被 page fault。

int io_uring_enter(unsigned int fd, u32 to_submit, u32 min_complete, u32 flags);

io_uring_enter 即可以提交 io，也可以來收割完成的 IO，一般 IO 完成時內核會自動將 SQE 的索引放入到 CQ 中，用戶可以遍歷 CQ 來處理完成的 IO。

IO 提交的做法是找到一個空閒的 SQE，根據請求設置 SQE，並將這個 SQE 的索引放到 SQ 中。SQ 是一個典型的 RingBuffer，有 head，tail 兩個成員，如果 head == tail，意味着隊列爲空。SQE 設置完成後，需要修改 SQ 的 tail，以表示向 RingBuffer 中插入一個請求。

io_uring_enter 被調用後會陷入到內核，內核將 SQ 中的請求提交給 Block 層。to_submit 表示一次提交多少個 IO。

如果 flags 設置了 IORING_ENTER_GETEVENTS，並且 min_complete > 0，那麼這個系統調用會同時處理 IO 收割。這個系統調用會一直 block，直到 min_complete 個 IO 已經完成。

這個流程貌似和 libaio 沒有什麼區別，IO 提交的過程中依然會產生系統調用。

但 io_uring 的精髓在於，提供了 submission offload 模式，使得提交過程完全不需要進行系統調用。

如果在調用 io_uring_setup 時設置了 IORING_SETUP_SQPOLL 的 flag，內核會額外啓動一個內核線程，我們稱作 SQ 線程。這個內核線程可以運行在某個指定的 core 上（通過 sq_thread_cpu 配置）。這個內核線程會不停的 Poll SQ，除非在一段時間內沒有 Poll 到任何請求（通過 sq_thread_idle 配置），纔會被掛起。

當程序在用戶態設置完 SQE，並通過修改 SQ 的 tail 完成一次插入時，如果此時 SQ 線程處於喚醒狀態，那麼可以立刻捕獲到這次提交，這樣就避免了用戶程序調用 io_uring_enter 這個系統調用。如果 SQ 線程處於休眠狀態，則需要通過調用 io_uring_enter，並使用 IORING_SQ_NEED_WAKEUP 參數，來喚醒 SQ 線程。用戶態可以通過 sqring 的 flags 變量獲取 SQ 線程的狀態。

https://github.com/axboe/liburing/blob/master/src/queue.c#L22

if (IO_URING_READ_ONCE(*ring->sq.kflags) & IORING_SQ_NEED_WAKEUP) {
    *flags |= IORING_ENTER_SQ_WAKEUP;
    return true;
}

主要包含 IORING_REGISTER_FILES、IORING_REGISTER_BUFFERS，在高級特性章節會描述。

int io_uring_register(unsigned int fd, unsigned int opcode, void *arg, unsigned int nr_args)

liburing

我們知道 io_uring 雖然僅僅提供了 3 個系統 API，但是想要用好還是有一定難度的，所提 fio 大神本人封裝了一個 Liburing，簡化了 io_uring 的使用，通過使用 liburing，我們很容易寫出異步 IO 程序。

代碼位置：github.com/axboe/liburi，在使用的時候目前仍然需要拉取代碼，自己編譯，估計之後將會融入內核，在用戶程序中需要包含 #include "liburing.h"。

列舉一些比較常用的封裝的 API：github.com/axboe/liburi

// 非系統調用，初始化io_uring，entries：隊列深度 queue depth
extern int io_uring_queue_init(unsigned entries, struct io_uring *ring, unsigned flags);

// 非系統調用，清理io_uring
extern void io_uring_queue_exit(struct io_uring *ring);

// 非系統調用，獲取一個可用的 submit_queue_entry，用來提交IO
extern struct io_uring_sqe *io_uring_get_sqe(struct io_uring *ring);

// 非系統調用，準備階段，和libaio封裝的io_prep_writev一樣
static inline void io_uring_prep_writev(struct io_uring_sqe *sqe, int fd,const struct iovec *iovecs, unsigned nr_vecs, off_t offset)

// 非系統調用，準備階段，和libaio封裝的io_prep_readv一樣
static inline void io_uring_prep_readv(struct io_uring_sqe *sqe, int fd, const struct iovec *iovecs, unsigned nr_vecs, off_t offset)
 
// 非系統調用，把準備階段準備的data放進 submit_queue_entry
static inline void io_uring_sqe_set_data(struct io_uring_sqe *sqe, void *data)
 
// 非系統調用，設置submit_queue_entry的flag
static inline void io_uring_sqe_set_flags(struct io_uring_sqe *sqe, unsigned flags)
 
// 非系統調用，提交sq的entry，不會阻塞等到其完成，內核在其完成後會自動將sqe的偏移信息加入到cq，在提交時需要加鎖
extern int io_uring_submit(struct io_uring *ring);

// 非系統調用，提交sq的entry，阻塞等到其完成，在提交時需要加鎖。
extern int io_uring_submit_and_wait(struct io_uring *ring, unsigned wait_nr);

// 非系統調用 宏定義，會遍歷cq從head到tail，來處理完成的IO
#define io_uring_for_each_cqe(ring, head, cqe)

// 非系統調用 遍歷時，可以獲取cqe的data
static inline void *io_uring_cqe_get_data(const struct io_uring_cqe *cqe)

// 非系統調用 遍歷完成時，需要調整head往後移nr
static inline void io_uring_cq_advance(struct io_uring *ring, unsigned nr)

高級特性

io_uring 裏面提供了 polling 機制：IORING_SETUP_IOPOLL 可以讓內核採用 Polling 的模式收割 Block 層的請求；IORING_SETUP_SQPOLL 可以讓內核新起線程輪詢提交 sq 的 entry。

IORING_REGISTER_FILES

這個的用途是避免每次 IO 對文件做 fget/fput 操作，當批量 IO 的時候，這組原子操作可以避免掉。

IORING_REGISTER_BUFFERS

如果應用提交到內核的虛擬內存地址是固定的，那麼可以提前完成虛擬地址到物理 pages 的映射，避免在 IO 路徑上進行轉換，從而優化性能。用法是，在 setup io_uring 之後，調用 io_uring_register，傳遞 IORING_REGISTER_BUFFERS 作爲 opcode，參數是一個指向 iovec 的數組，表示這些地址需要 map 到內核。在做 IO 的時候，使用帶 FIXED 版本的 opcode（IORING_OP_READ_FIXED /IORING_OP_WRITE_FIXED）來操作 IO 即可。

內核在處理 IORING_REGISTER_BUFFERS 時，提前使用 get_user_pages 來獲得 userspace 虛擬地址對應的物理 pages。在做 IO 的時候，如果提交的虛擬地址曾經被註冊過，那麼就免去了虛擬地址到 pages 的轉換。

IORING_SETUP_IOPOLL

這個功能讓內核採用 Polling 的模式收割 Block 層的請求。當沒有使用 SQ 線程時，io_uring_enter 函數會主動的 Poll，以檢查提交給 Block 層的請求是否已經完成，而不是掛起，並等待 Block 層完成後再被喚醒。使用 SQ 線程時也是同理。

編程示例

通過 liburing 使用起來還是比較方便的，不用操心內核的一些事情，簡直爽歪歪啊。具體可參考 ceph：github.com/ceph/ceph/bl

  1. io_uring_queue_init 來初始化 io_uring。IORING_SETUP_IOPOLL / IORING_SETUP_SQPOLL。

  2. io_uring_submit 來提交 IO，在這個函數里面會判斷是否需要調用系統調用 io_uring_enter。設置了 IORING_SETUP_SQPOLL 則不需要調用，沒有設置則需要用戶調用。

  3. io_uring_for_each_cqe 來收割完成的 IO，這是一個 for 循環宏定義，後面直接跟 {} 就可以。

性能對比

intel 團隊測試結果

可以看出來 intel 自己測試的結果表明延遲方面 spdk 比 io_uring 要低 60%。使用了自己帶的 perf 的測試工具測的。

fio 作者測試結果

4k randread，3D Xpoint 盤：

io_uring vs libaio，在非 polling 模式下，io_uring 性能提升不到 10%，好像並沒有什麼了不起的地方。

然而 io_uring 提供了 polling 模式。在 polling 模式下，io_uring 和 SPDK 的性能非常接近，特別是高 QueueDepth 下，io_uring 有趕超的架勢，同時完爆 libaio。

模式對比

ruHkJ1

線上應用

目前發現已經有幾個項目在做嘗試性的應用：rocksdb、ceph、spdk、第三方適配 (nginx、redis、echo_server)

rocksdb

rocksdb 官方實現了 PosixRandomAccessFile::MultiRead() 使用 io_uring。

除此之外，tikv 擴展了一些實現：openinx.github.io/ppt/i

  1. wal 和 sstbale 的寫入使用 io_uring，但是測完之後性能提升不明顯。

  2. compaction file write 的時間降低了一半。

  3. 可用 io_uring 優化的點：參考 Conclusion & Future work 章節。

spdk

SPDK 與 io_uring 新異步 IO 機制，在其抽象的通用塊層加入了 io_uring 的支持。

ceph

ceph 的 io_uring 主要使用在 block_device，抽象出了統一的塊設備，直接操作裸設備，對上層提供統一的讀寫方法。

bluefs 僅僅需要提供 append only 的寫入即可，不需要提供隨機寫，大大簡化了 bluefs 的實現。

第三方適配 (nginx、redis、echo_server)

第三方 io_uring 適配 (nginx、redis、echo_server) 性能測試結果：

redis：

以下是 redis 在 event poll 和 io_uring 下的 qps 對比：

  1. 高負載情況下，io_uring 相比 event poll，吞吐提升 8%~11%。

  2. 開啓 sqpoll 時，吞吐提升 24%~32%。這裏讀者可能會有個疑問，開啓 sqpoll 額外使用了一個 CPU，性能爲什麼才提升 30% 左右？那是因爲 redis 運行時同步讀寫就消耗了 70% 以上的 CPU，而 sq_thread 只能使用一個 CPU 的能力，把讀寫工作交給 sq_thread 之後，理論上 QPS 最多能提升 40% 左右（1/0.7 - 1 = 0.42），再加上 sq_thread 還需要處理中斷以及本身的開銷，因此只能有 30% 左右的提升。

nginx：

  1. 單 worker 場景，當連接數超過 500 時，QPS 提升 20% 以上。

  2. connection 固定 1000，worker 數目在 8 以下時，QPS 有 20% 左右的提升。隨着 worker 數目增大，收益逐漸降低。

  3. 短連接場景，io uring 相對於 event poll 非但沒有提升，甚至在某些場景下有 5%~10% 的性能下降。究其原因，除了 io uring 框架本身帶來的開銷以外，還可能跟 io uring 編程模式下請求批量下發帶來的延遲有關。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/ej_8MWikdFHTaF9s70SKow

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