引言

io_uring是Linux內(nèi)核在v5.1引入的一套異步IO接口，隨著其迅速發(fā)展，現(xiàn)在的io_uring已經(jīng)遠遠超過了純IO的范疇。從Linux v5.3版本開始，io_uring陸續(xù)添加了網(wǎng)絡編程相關的API，對用戶提供sendmsg、recvmsg、accept、connect等接口的異步支持，將io_uring的生態(tài)范圍擴大到了網(wǎng)絡領域。

另外從Linux v5.7開始，io_uring對這些異步接口提供FAST POLL機制，用戶無需再使用像select、event poll等多路復用機制來監(jiān)聽文件句柄，只要把讀寫請求直接丟到io_uring的submit queue中并提交，當文件句柄不可讀寫時，內(nèi)核會主動添加poll handler，當文件句柄可讀寫時主動調(diào)用poll handler再次下發(fā)讀寫請求，從而減少系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)提高性能。

上一篇我們初探了 io_uring 用于網(wǎng)絡的編程模型以及 echo server benchmark 下的性能表現(xiàn)，這篇文章我們將基于通用應用 nginx 實戰(zhàn)。

Nginx io_uring 代碼優(yōu)化

Nginx是一款輕量級的Web服務器、反向代理服務器，由于它的內(nèi)存占用少，啟動極快，高并發(fā)能力強，在互聯(lián)網(wǎng)項目中廣泛應用。

從架構上看，Nginx由一個master和多個worker進程組成，多個worker之間不需要加鎖，獨立處理與client的連接和網(wǎng)絡請求。worker是一個單線程大循環(huán)，這與上一篇“你認為 io_uring 只適用于存儲 IO？大錯特錯！”文章中描述的 echo server 模型基本一致。

基于event poll的編程模型

event poll是Nginx在Linux下的默認事件模型。

event poll事件模型把listen fd以及新建連接的sock fd都注冊進event poll中，當這些fd上有數(shù)據(jù)可讀時，等待在epoll_wait()的worker進程會被喚醒，調(diào)用相應的回調(diào)函數(shù)進行處理，這里的recv、writev請求都為同步請求。

基于io_uring的編程模型

前面提到，io_uring的FAST POLL機制允許數(shù)據(jù)在未ready的情況下就直接下發(fā)，不需要再把普通連接的fd注冊進event poll。另外這里的讀寫請求通過io_uring異步下發(fā)，處理流程大致如下：

事實上，accept()也可以采取FAFST POLL機制，無需等待listen_fd數(shù)據(jù)可讀就直接下發(fā)，以減少系統(tǒng)調(diào)用次數(shù)。但在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)這樣accept()失敗概率大大增加，而每次失敗的accept()都會帶來一次無效的sock內(nèi)存申請和釋放，這個開銷較大，因此依然采用類似event poll的方式來偵聽listen fd。后續(xù)針對這塊可以做一些優(yōu)化。

測試結果

測試環(huán)境

測試機器
CPU: Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2682 v4 @ 2.50GHz 64邏輯核
server cmdline添加：mitigation=on

nginx配置

user root;http { access_log off; server { access_log off; // 關閉access log，否則會寫日志，影響測試 location / { return 200; // 不讀本地文件，直接返回200 } }}

benchmark
使用輕量級HTTP性能測試工具wrk進行壓測。

測試命令

長連接 wrk -c $connection -t $thread -d 120 $url短連接wrk-c$connection-t$thread-H"Connection:Close"-d120$url

測試結果

長連接

? connection=1000，thread=200, 測試server上不同worker數(shù)目性能。

worker數(shù)目在8以下時，QPS有20%左右的提升。隨著worker數(shù)目增大，CPU不成為瓶頸，收益逐漸降低。

server單worker，測試client端不同連接數(shù)性能(thread取默認數(shù)2）。

可以看到單worker情況下，500個連接以上，QPS有20%以上的提升。從系統(tǒng)調(diào)用數(shù)目上看，io uring的系統(tǒng)調(diào)用數(shù)基本上在event poll的1/10以內(nèi)。

短連接

? connection=1000，thread=200, 測試server上不同worker數(shù)目性能。

短連接場景，io uring相對于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(fā)而帶來的延遲有關。

總結及下一步工作

從筆者目前的測試來看，io_uring在網(wǎng)絡編程方面的優(yōu)化更適合長連接場景，在長連接場景下最高有20%多的提升。短連接場景還有待優(yōu)化，主要考慮以下兩方面：
? io uring本身框架開銷的優(yōu)化，當然這個優(yōu)化對長連接同樣適用。
? 針對短連接的優(yōu)化，如針對accept()請求，先檢查是否有數(shù)據(jù)可讀，避免無效內(nèi)存申請釋放；多個accept()一起下發(fā)等。

nginx 和 echo server 等優(yōu)化實踐相關內(nèi)容（包含源代碼），我們都已經(jīng)在 OpenAnolis 社區(qū)高性能存儲 SIG 開源（openanolis.org）。也歡迎大家積極參與討論和貢獻，一起探索 io_uring 的高性能之路。

責任編輯：xj

原文標題：面對疾風吧！io_uring 優(yōu)化 nginx 實戰(zhàn)演練

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