Alibaba Cloud Linux 2 LTS 率先提供支持 io_uring

2022-04-05 07:04:32

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。

Alibaba Cloud Linux 2 LTS 版本，其中一个重要的特性更新是提供了对 io_uring 的支持。io_uring 是由 block 维护者 Jens Axboe 开发的新型异步 IO 框架。io_uring 在 2019 年 1 月初提出，到 2019 年 3 月初合并到 Linux 内核主线，仅用短短的 2 个月时间就合入了 Linux v5.1，充分表明了社区对该框架的积极态度。当前社区发展非常火热，很多主流应用都开始提供对 io_uring 的支持，如 Node.js，Nginx，PostgreSQL，RocksDB，QEMU，spdk，等等。

Alibaba Cloud Linux 2 LTS 版本的 io_uring 功能同步自 Linux 内核主线 v5.4，测试过程中发现的稳定性和性能问题已得到修复，相关补丁也已被接收合入到社区上游，并持续对其进行维护和支持。

Linux IO 发展史

Linux 中有很多方式来执行文件 IO 操作。最初的 IO 系统调用需要追溯到 read(2) 和write(2)，后来发展为增加 offset 参数的 pread(2) 和 pwrite(2)，以及基于 vector 的版本 preadv(2) 和 pwritev(2)，再扩展成允许修改 flags 的版本 preadv2(2) 和 pwritev2(2)。这些系统调用看上去多种多样，但有一个共同的特性就是同步，即系统调用需要在数据读取完成或写入完成才返回。应某些应用场景的诉求，异步 IO 接口应势而生。POSIX 对应的接口为 aio_read(3)和 aio_write(3)，但由于性能不好实际使用很少。

目前异步 IO 使用最多的是 Linux Native 异步 IO，即我们通常称的 aio。不幸的是，其同样有着诸多约束：

最大的限制无疑是仅支持 direct io。而 O_DIRECT 存在 bypass 缓存和 size 对齐等限制，直接影响了 aio 在很多场景的使用。而针对 buffered io，其表现为同步。
即使满足了所有异步 IO 的约束，有时候还是可能会被阻塞。例如，等待元数据 IO，或者等待 request 的分配等。
存在额外的拷贝开销，每个 IO 提交需要拷贝 64+8 字节，每个 IO 完成需要拷贝 32 字节，这 104 字节的拷贝在大量小 IO 的场景下影响很可观。同时，需要非常小心地使用完成事件以避免丢事件。IO 需要至少 2 个系统调用（submit + wait-for-completion)，这在 spectre/meltdown 开启的前提下性能下降非常严重。

io_uring 原理介绍

为了从根本上解决当前 aio 存在的问题和约束，io_uring 全新从零开始设计的异步 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/非 block IO。
特性丰富，满足所有应用，如 buffered 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。

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：

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 的一个简单的示例如下：

#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 */
    while (1) {
        io_uring_peek_cqe(&ring, &cqe);
        if (!cqe) {
            printf("Not completed, waiting...\n");
            usleep(1);
        } else {
            printf("Completed\n");
            break;
        }
    }

    /* read and process cqe event */
    io_uring_cqe_seen(&ring, cqe);
out:
    close(fd);
exit:
    /* tear down */
    io_uring_queue_exit(&ring);
    return ret;
}

使用 fio io_uring 测试性能

Alibaba Cloud Linux 2 LTS 版本在 experimental 源中提供支持 io_uring 的 fio-3.17，用户可通过 ioengine=io_uring 使用 fio io_uring 进行性能测试。

sudo yum install -y alinux-release-experimentals
sudo yum install -y fio-3.17

fio 示例：

fio -name=fiotest -filename=/mnt/vdd/testfile -iodepth=128 -thread -rw=randread -ioengine=io_uring -sqthread_poll=1 -direct=1 -bs=4k -size=10G -numjobs=1 -runtime=600 -group_reporting

io_uring 高级特性

Fixed Files and Buffers

IORING_REGISTER_FILES / 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。
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。

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。

io_uring 性能评测

Alibaba Cloud Linux 2 LTS 评测

我们基于 Alibaba Cloud Linux 2 LTS 的 fio 测试评估数据如下：

测试环境：本地 8C16G VM，后端为 raw 文件，存放在 NVMe 盘 ext4 文件系统上。
与云盘环境的不同的是，该虚拟磁盘没有 IO 能力规格的限制；云上建议使用 ESSD 或 NVMe SSD 本地盘。

4k 顺序读
4k 顺序写
4k 随机读
4k 随机写

从上述测试数据可以看出：

默认模式下，读有 10% 左右的性能提升，写略微提升。
开启 sqthread_poll 后，顺序读写提升很明显，达到 70% ~ 220%；随机读写提升相对较少，只有 10% ~ 30%。

社区性能数据

原作者 Jens 在 PATCHSET v5 中有分别对比 io_uring vs libaio，io_uring vs spdk 的 4k 随机读数据：
https://lore.kernel.org/linux-block/20190116175003.17880-1-axboe@kernel.dk/

测试结果如下：

非 polling 模式，io_uring 相比 libaio 有略微提升。
在 polling 模式下，io_uring 与 spdk 接近，甚至在 queue depth 较高时性能更好，完胜 libaio。

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，进一步加固 io_uring 的稳定性，同时优化性能，相关工作以补丁的形式回馈到社区。

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

性能优化

engines/io_uring: delete fio_option_is_set() calls when submitting sqes

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 & io_uring: initialize fixed_file_data lock

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()

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