你认为 io_uring 只适用于存储 IO？大错特错！

本文转载自微信公众号「云巅论剑」，作者费曼 。转载本文请联系云巅论剑公众号。

1. 概述

传统高性能网络编程通常是基于select, epoll, kequeue等机制实现，网络上有非常多的资料介绍基于这几种接口的编程模型，尤其是epoll，nginx, redis等都基于其构建，稳定高效，但随着linux kernel主线在v5.1版本引入io_uring新异步编程框架，在高并发网络编程方面我们多了一个利器。

io_uring在进行初始设计时就充分考虑其框架自身的高性能和通用性，不仅仅面向传统基于块设备的fs/io领域，对网络异步编程也提供支持，其最终目的是实现linux下一切基于文件概念的异步编程。

2. echo_server场景下的性能对比

我们先看下io_uring和epoll在echo_server模型下的性能对比，测试环境为：

1. server端cpu Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2682 v4 @ 2.50GHz, client端cpu Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2630 0 @ 2.30GHz

2. 两台物理机器，一台做server, 一台做client。

Note: 如下性能数据都是在meltdown和spectre漏洞修复场景下测试。

上图是io_uring和epoll在echo_server场景下qps数据对比，可以看出在笔者的测试环境中，连接数1000及以上时，io_uring的性能优势开始体现，io_uring的极限性能单core在24万qps左右，而epoll单core只能达到20万qps左右，收益在20%左右。

上图统计的是io_uring和epoll在echo_server场景下系统调用上下文切换数量的对比，可以看出io_uring可以极大的减少用户态到内核态的切换次数，在连接数超过300时，io_uring用户态到内核态的切换次数基本可以忽略不计。

3. epoll 网络编程模型

下面展开介绍epoll和io_uring两种编程模型基本用法对比，首先介绍下传统的epoll网络编程模型， 通常采用如下模式：

struct epoll_event ev; 
 
/* for accept(2) */ 
ev.events = EPOLLIN; 
ev.data.fd = sock_listen_fd; 
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_listen_fd, &ev); 
 
/* for recv(2) */ 
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; 
ev.data.fd = sock_conn_fd; 
epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, sock_conn_fd, &ev); 
 
然后在一个主循环中： 
new_events = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENTS, -1); 
for (i = 0; i < new_events; ++i) { 
    /* process every events */ 
    ... 
} 

本质上是实现类似如下事件驱动结构：

struct event { 
    int fd; 
    handler_t handler; 
}； 

将fd通过epoll_ctl进行注册，当该fd上有事件ready, 在epoll_wait返回时可以获知完成的事件，然后依次调用每个事件的handler, 每个handler里调用recv(2), send(2)等进行消息收发。

4. io_uring 网络编程模型

io_uring的网络编程模型不同于epoll, 以recv(2)为例，它不需要通过epoll_ctl进行文件句柄的注册，io_uring首先在用户态用sqe结构描述一个io 请求，比如此处的recv(2)系统调用，然后就可以通过io_uring_enter(2)系统调用提交该recv(2)请求，用户程序通过调用io_uring_submit_and_wait(3)，类似于epoll_wait(2)，获得完成的io请求，cqe结构用于描述完成的ioq请求。

/* 用sqe对一次recv操作进行描述 */ 
struct io_uring_sqe *sqe = io_uring_get_sqe(ring); 
io_uring_prep_recv(sqe, fd, bufs[fd], size, 0); 
 
/* 提交该sqe, 也就是提交recv操作 */ 
io_uring_submit(˚); 
 
/* 等待完成的事件 */ 
io_uring_submit_and_wait(˚, 1); 
cqe_count = io_uring_peek_batch_cqe(˚, cqes, sizeof(cqes) / sizeof(cqes[0]));    
for (i = 0; i < cqe_count; ++i) { 
    struct io_uring_cqe *cqe = cqes[i]; 
    /* 依次处理reap每一个io请求，然后可以调用请求对应的handler */ 
    ... 
} 

总结下：为什么io_uring相比epoll模型能极大的减少用户态到内核态的上下文切换?举个简单例子，epoll_wait返回1000个事件，则用户态程序需要发起1000个系统调用，则就是1000个用户态和内核态切换，而io_uring可以初始化1000个io请求的sqes, 然后调用一次io_uring_enter(2)系统调用就可以下发这1000个请求。

在meltdown和spectre漏洞没有修复的场景下，io_uring相比于epoll的提升几乎无，甚至略有下降，why? 我们不是减少了大量的用户态到内核态的上下文切换?

原因是在meldown和spectre漏洞没有修复的场景下，用户态到内核态的切换开销很小，所带来的的收益不足以抵消io_uring框架自身的开销，这也说明io_uirng框架本身需要进一步的优化。

详细的epoll和io_uring基于echo_server模型的对比程序在 ：https://github.com/OpenAnolis/io_uring-echo-server(详见原文链接)。

5. 接下来的工作

1.目前从分析来看，io_uring框架本身存在的overhead不容小觑，需要进一步优化，我们已经在io_uring社区进行io_uring框架开销不断增大的讨论，并已经开展了一系列的优化尝试。

2.echo_server代表着一类编程模型，不是真实的应用，但redis, nginx等应用其实都是基于echo_server模型，将其用io_uirng来改造，理论上在cpu 漏洞修复场景下都会带来明显性能提升，我们已经在开展nginx, redis的io_uring适配工作，后续会有进一步的介绍。