Explorant io_uring: com Linux accelera les operacions d’entrada/sortida moderna

Introducció

Una de les principals innovacions al kernel de Linux és io_uring (introduït a la versió 5.1 del kernel). És una nova API relacionada amb les operacions d’I/O, optimitzant-ne enormement el seu rendiment.

En aquest post explicarem què és io_uring, com funciona internament, i quins avantatges tècnics aporta respecte a mecanismes clàssics.

Què és io_uring?

io_uring és una interfície d’I/O basada en ring buffers compartits entre espai d’usuari i de kernel. Això permet als programes realitzar operacions d’entrada/sortida fent menys entrades al kernel i, sovint, reduint també canvis de context (millorant la latència i el consum de CPU).

Per què és útil?

Els mecanismes d’I/O més antics tenen limitacions:

read() i write()

• Sincrònics: Els processos queden bloquejats.

• Cada operació implica una syscall (afegint sobrecàrrega).

AIO (Linux Async I/O)

• Poc consistent i incompleta.

• No suporta totes les operacions.

• Implementació complicada i lenta.

epoll

Excel·lent per sockets, però amb fitxers normals no pot notificar esdeveniments I/O.

Requereix syscalls.

Arquitectura

io_uring conté dos ring buffers en memòria compartida:

• Submission queue

  Aquest és el ring buffer on les aplicacions envien les peticions I/O.

• Completion queue

  Quan el kernel acaba l’operació, envia el resultat aquí, llesta per al programa.

syscalls

io_uring només necessita dues syscalls per configurar la interfície:

io_uring_setup() i io_uring_enter() per empènyer entrades quan és necessari.

La resta de comunicacions passa pel buffer de memòria compartida, sense syscalls per cada petició.

SQPOLL

A més, amb el mode SQPOLL, el kernel dedica un thread per processar peticions sense que l’usuari faci syscalls, reduint la sobrecàrrega.

Avantatges principals

• Syscalls reduides

  La major part de la feina es fa en memòria compartida, pel que reduim els canvis de context.

• Menor latència

  Comparat amb altres mètodes, ofereix una latència molt menor.

• Operacions unificades

  Permet diverses operacions, com:

  • Fitxers

  • Sockets

  • Pipes

  • BPF

• Zero-copy

  io_uring suporta operacions zero-copy (veure aquí) en sockets i altres operacions específiques, reduint còpies de dades innecessàries.

• Disseny escalable

  Està pensat per escalar multicore, amb una capacitat de paral·lelisme enorme.

Conclusió

io_uring és de les innovacions més importants dels últims anys. Amb la seva arquitectura de memòria compartida i minimitzant les syscalls, dóna un rendiment molt superior a aplicacions que requereixen moltes peticions I/O.

I fins aquí el post d’avui. Si t’ha semblat útil pots deixar un comentari i compartir-lo. Ens veiem al següent!