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基于用户态中断和io_uring的异步IO用户程序

项目简介

本项目是uintr+io_uring异步IO的用户程序仓库, 程序的运行需要在我们修改过的内核_上, 并且操作系统运行在支持用户态中断的硬件环境中。

文件树:

.
├── apic
├── bench
├── go-cat
├── io_uring-by-example
└── liburing

其中apic目录下是一个简单的测试程序, 仅仅测试我们能否收到io_uring完成的用户态中断通知, 程序输出in handler代表收到中断。

bench是使用不同方法测试完成同样的计算和IO任务所需用的总用时以及IO的延时, 我们的结果表明基于用户态中断和io_uring的方法即能实现计算和io的重叠, 使得完成任务的总用时更小, 同时由于中断的通知机制, IO的延迟方面也比单纯用io_uring要更出色。

go-cat是采用Cgo编程的样例程序, 为了使得中断处理函数更快的退出, 从而不会因为中断不能嵌套从而导致部分中断的延迟较高, 我们希望在中断函数中调用线程或者协程去处理IO, 启用线程的开销比协程更大, 我们期望使用协程, 但是在C语言中还没有对协程的支持, 所以我们采用Cgo编程, 将go语言的特性嵌入C语言中, 从而达到更加高效的中断处理。

io_uring-by-example包含了几个io_uring的简单用户程序, 能够帮助新手更快的了解io_uring的使用以及liburing的使用。在其中我们主要修改了03_cat_liburing, 使得改用户程序能够支持用户态中断来处理IO的完成, 这个版本的实现是线程版本。

liburing是经过我们适配的liburing库, 在编译和链接以上的用户程序时, 需要链接次文件夹中对应的头文件。

使用方法

cd liburing
make  # 先进入liburing 目录, 编译后其他仓库的代码才能成功编译和链接
cd xxx # 进入其他目录进行编译
make

每个目录下均有Makefile, 一般情况下直接make即可, 由于不同系统版本用户态中断的编号可能会改变, 使用时需要查看内核对应的系统调佣编号是否正确, 可以通过定义宏来改变, 或者手动修改源代码。

注意在链接阶段必须链接本仓库内的liburing, 必要时修改Makefile中liburing的路径。

bench 结果

我们在执行200个IO任务和1000个计算任务的情况下获得了bench的测试结果, 罗列如下:

其中normal是使用普通同步IO方式来进行IO的读写, uring是单独使用io_uring的情况, uintr是使用io_uring以及用户态中断的情况。本测试中, 单纯的计算用时3410806us。一下是不同大小的IO的延时和总的任务完成时间的情况。

方法	总用时(us)	4K 延时	4M 延时	40M 延时
normal	4163422	259	38753	698487
uring	3546226	205714	269079	1283943
uintr	3591993	360	41431	727977

更多细致的分析见我们的的技术分享报告。以及最终报告。