Современные устройства ввода-вывода быстрее, чем процессоры. Обзор статьи
Хочу рассказать о статье «I/O Is Faster Than the CPU — Let«s Partition Resources
and Eliminate (Most) OS Abstractions», опубликованной на личной странице одного из разработчиков ScyllaDB, Pekka Enberg. О ней узнал из видео.
С докладом по этой статье авторы должны были выступать на HOTOS17 (Hot Topics in Operating Systems) воркшопе 12 -15 мая 2019. Насколько понял там обсуждают наработки на ранних этапах их жизни.
Моя статья носит новостной характер с целью возбудить пытливые умы на обдумывание этой темы и размышления в комментариях.
Общая суть
Ввод-ввыод на серверах с быстрыми программируемыми сетевыми картами и энергонезависимой памятью приближается к скорости энергозависимых ОЗУ, а скорость одного ядра процессора, остается на месте. Приложения не могут использовать преимущества современных аппаратных средств, т.к. вынуждены использовать интерфейсы построенные на абстракциях предполагающих медленный системы ввода-вывода.
Авторы предлагают свою структуру ОС, которую называют parakernel, которая устраняет большинство абстракций ОС и предоставляет интерфейс для приложений, чтобы они могли использовать весь потенциал оборудования. Parakernel облегчает параллелизм на уровне приложений путем безопасного разделения ресурсов и мультиплексирования неразделимых ресурсов.
Архитектура соврменных ОС была придумана, когда скорость ввода-вывода была намного меньше, и приложения ожидали выполнения операций ввода-вывода. В текущее время устройства ввода-вывода с легкостью могут насытить процессор.
По словам авторов, современные сетевые стеки выполняют слишком много работы на пакет. Кроме того ОС обычно реализуют API POSIX сокетов, который имеет большие издержки переключения контекста и загрязнения кэша процессора.
Аппаратные предпосылки
Современная 40Гбит сетевая карта может получать пакет соизмеримый со строкой кэша каждые 5 нс, а задержка доступа к LLC (last level cache) процессоров примерно 15 нс.
В Linux сейчас ведется работа над POSIX AIO интерфейсом, который предоставляет простой и эффективный асинхронный интерфейс ввода-вывода. Реализация подобного интерфейса с сохранением POSIX семантики является очень сложной.
Какое предлагается решение
Новая структура ОС, которую авторы называют parakernel, предназначена для упрощения распараллеливания задач. Приложениям выделяются ресурсы и они имеют полный контроль над ними, ресурсы которые нельзя разделить мультиплексируются ядром.
Совместное использование ресурсов в многоядерных системах требует синхронизации между ядрами процессора, что препятствует параллелизму на уровне приложения. Это препятствие можно уменьшить разделив ресурсы между ядрами процессора.
Итоги
Некоторые абстракции операционных систем ограничивают производительность ввода-вывода. Авторы представляют структуру ОС, которая разделяет разделяемые ресурсы и мультиплексирует неразделяемые ресурсы. Parakernel упрощает параллелизм уровня приложения и дополняет дизайн поток на ядро.
Прототип parakernel написан на Rust и сейчас находится в разработке. В статье я не увидел название операционной системы, но нашел другой материал одного из авторов Manticore Operating System и делаю вывод, что вот репозиторий этой разработки.
Всегда очень интересно узнавать о новых концепциях в уже укоренившихся системах.
Прошу писать о замеченных ошибках и необходимых дополнениях.
Строка рекламы подкаста «Цинковый прод» в котором на правах темы мы обсудим данную статью.