异构计算关键技术之mmap
一、背景
1. 日志存储系统
case 1：分布式日志存储系统，是一个基于raft协议自研分布式日志存储系统，logstore则是底层存储引擎。
logstore中，使用mmap对数据文件读写。
logstore的存储结构简化如下图：
1707371922276.png
2. 普通bin文件读取操作
最近博主需要读取一个bin文件，然后实时和FPGA接收到的数据进行比对，验证逻辑的正确性，采用的mmap技术。
...
int id = open(Parameter::xxxbin.c_str(), O_RDONLY);
if (fd < 0) {
std::cout << "cannot open file: " << xxxbin << std::endl;
return -1;
}
m_binbuff = (char *)mmap(NULL, m_fileSize, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
if(nullptr == m_binBuff){
std::cout << "Can't mmap file: " << Parameter::xxxbin << std::endl;
return;
}
close(fd);
3. Ceph分布式文件系统性能关键技术
分布式文件系统在处理大规模数据时起着至关重要的作用。
为了满足日益增长的数据存储需求，Ceph作为一种先进的分布式文件系统方案被广泛使用。
然而，在Ceph的架构中，为了实现高性能和低延迟，诸如mmap等关键技术成为了不可或缺的一部分。
二、什么是mmap
在《深入理解计算机系统》书中，mmap定义为：linux通过将一个虚拟内存区域与一个磁盘上的对象（object）关联起来，以初始化这个虚拟内存的内容，这个过程称为内存映射（memory mapping）。
三、mmap的原理
1. mmap在进程虚拟内存做了什么
我们先来简单看一下mapping一个文件，mmap做了什么事情。如下图所示：
1707372876335.png
假设我们mmap的文件是FileA，在调用mmap之后，会在进程的虚拟内存分配地址空间，创建映射关系。
这里值得注意的是，mmap只是在虚拟内存分配了地址空间，举个例子，假设上述的FileA（dd创建）是5M大小：
1707376111820.png
在mmap之后，查看mmap所在进程的maps描述，可以看到：
1707376217444.png
由上可以看到，在mmap之后，进程的地址空间7f1da0a0f000-7f1da0f0f000被分配，并且map到FileA，7f1da0f0f000减去7f1da0a0f000，刚好是5242880(ps: 这里是整个文件做mapping)
2. mmap在物理内存做了什么
在Linux中，VM系统通过将虚拟内存分割为称作虚拟页(Virtual Page，VP)大小固定的块来处理磁盘(较低层)与上层数据的传输。
一般情况下，每个页的大小默认是4096字节。同样的，物理内存也被分割为物理页(Physical Page，PP)，也为4096字节。
上述例子，在mmap之后，如下图：
1707376476961.png
在mmap之后，并没有在将文件内容加载到物理页上，只上在虚拟内存中分配了地址空间。当进程在访问这段地址时（通过mmap在写入或读取时FileA），若虚拟内存对应的page没有在物理内存中缓存，则产生"缺页"，由内核的缺页异常处理程序处理，将文件对应内容，以页为单位(4096)加载到物理内存，注意是只加载缺页，但也会受操作系统一些调度策略影响，加载的比所需的多，这里就不展开了。
缺页处理后，如下图：
1707376514124.png
3. mmap的分类
mmap有两种类型，一种是有backend，一种是没有backend。
有backend：
1707376590790.png
这种模式将普通文件做memory mapping(非MAP_ANONYMOUS)，所以在mmap系统调用时，需要传入文件的fd。这种模式常见的有两个常用的方式，MAP_SHARED与MAP_PRIVATE，但它们的行为却不相同。
（1） MAP_SHARED
可以从两个角度去看：
1. 进程间可见：这个被提及太多，就不展开讨论了
2. 写入/更新数据会回写backend，也就是回写文件：这个是很关键的特性，是在Logstore设计实现时，需要考虑的重点。
3. Logstore的一个基本功能就是不断地写入数据，从实现上看就是不断地mmap文件，往内存写入/更新数据以达到写入文件的目的。但物理内存是有限的，在写入数据超过物理内存时，操作系统会进行页置换，根据淘汰算法，将需要淘汰的页置换成所需的新页，而恰恰因为是有backend的，所以mmap对应的内存是可以被淘汰的（若内存页是"脏"的，则操作系统会先将数据回写磁盘再淘汰）。
4. 这样，就算mmap的数据远大于物理内存，操作系统也能很好地处理，不会产生功能上的问题。
（2） MAP_PRIVATE
这是一个copy-on-write的映射方式。虽然他也是有backend的，但在写入数据时，他会在物理内存copy一份数据出来(以页为单位)，而且这些数据是不会被回写到文件的。这里就要注意，因为更新的数据是一个副本，而且不会被回写，这就意味着如果程序运行时不主动释放，若更新的数据超过可用物理内存+swap space，就会遇到OOM Killer。
无backend：
无backend通常是MAP_ANONYMOUS，就是将一个区域映射到一个匿名文件，匿名文件是由内核创建的。
因为没有backend，写入/更新的数据之后，若不主动释放，这些占用的物理内存是不能被释放的，同样会出现OOM Killer。
四、mmap比内存+swap空间大情况下，是否有问题
到这里，这个问题就比较好解析了。我们可以将此问题分离为：
- 虚拟内存是否会出问题
- 物理内存是否会出问题
虚拟内存是否会出问题：
回到上述的"mmap在进程虚拟内存做了什么"，我们知道mmap会在进程的虚拟内存中分配地址空间，比如1G的文件，则分配1G的连续地址空间。那究竟可以maping多少呢？在64位操作系统，寻址范围是2^64 ，除去一些内核、进程数据等地址段之外，基本上可以认为可以mapping无限大的数据(不太严谨的说法)。
物理内存是否会出问题：
回到上述"mmap的分类"，对于有backend的mmap，而且是能回写到文件的，映射比内存+swap空间大是没有问题的。但无法回写到文件的，需要非常注意，主动释放。
五、mmap的性能
mmap的性能经常与系统调用（write/read）做对比。
我们将读写分开看，先尝试从原理上分析两者的差异，然后再通过测试验证。
1. mmap的写性能
我们先来简单讲讲write系统调用写文件的过程：
v2-cd75cdde9843536276ded020e6790124_r.jpg
Step1：进程(用户态)调用write系统调用，并告诉内核需要写入数据的开始地址与长度（告诉内核写入的数据在哪）。
Step2：内核write方法，将校验用户态的数据，然后复制到kernel buffer（这里是Page Cache）。
Step3: 由操作系统调用，将脏页回写到磁盘（通常这是异步的）
再来简单讲讲使用mmap时，写入文件流程：
Step1：进程(用户态)将需要写入的数据直接copy到对应的mmap地址(内存copy)
Step2：
（2.1） 若mmap地址未对应物理内存，则产生缺页异常，由内核处理
（2.2） 若已对应，则直接copy到对应的物理内存
Step3：由操作系统调用，将脏页回写到磁盘（通常这是异步的）
系统调用会对性能有影响，那么从理论上分析:
1. 若每次写入的数据大小接近page size(4096)，那么write调用与mmap的写性能应该比较接近（因为系统调用次数相近）
2. 若每次写入的数据非常小，那么write调用的性能应该远慢于mmap的性能。
下面我们对两者进行性能测试：
每次写入大小 | mmap 耗时 | write 耗时
--------------- | ------- | -------- | --------
| 1 byte | 22.14s | >300s
| 100 bytes | 2.84s | 22.86s
| 512 bytes | 2.51s | 5.43s
| 1024 bytes | 2.48s | 3.48s
| 2048 bytes | 2.47s | 2.34s
| 4096 bytes | 2.48s | 1.74s
| 8192 bytes | 2.45s | 1.67s
| 10240 bytes | 2.49s | 1.65s
可以看到mmap在100byte写入时已经基本达到最大写入性能，而write调用需要在4096(也就是一个page size)时，才能达到最大写入性能。
从测试结果可以看出，在写小数据时，mmap会比write调用快，但在写大数据时，反而没那么快。
2. mmap的读性能
我们还是来简单分析read调用与mmap的流程：
v2-c188b57f312663c6e7e87ca0fbe9d0b8_r.jpg
从图中可以看出，read调用确实比mmap多一次copy。因为read调用，进程是无法直接访问kernel space的，所以在read系统调用返回前，内核需要将数据从内核复制到进程指定的buffer。但mmap之后，进程可以直接访问mmap的数据(page cache)。
从原理上看，read性能会比mmap慢。
每次读取大小 | mmap 耗时 | write 耗时
--------------- | ------- | -------- | --------
| 1 byte | 8215.4ms | > 300s
| 100 bytes | 86.4ms | 8100.9ms
| 512 bytes | 16.14ms | 1851.45ms
| 1024 bytes | 8.11ms | 992.71ms
| 2048 bytes | 4.09ms | 636.85ms
| 4096 bytes | 2.07ms | 558.10ms
| 8192 bytes | 1.06ms | 444.83ms
| 10240 bytes | 867.88µs | 475.28ms
由上可以看出，在read上面，mmap比write的性能差别还是很大的。测试结果与理论推导吻合。
3. 总结
mmap被广泛应用于提高读取性能。传统上，读取数据需要通过复制数据到用户空间，这一过程涉及系统调用和数据拷贝操作，消耗大量的CPU资源和时间。而通过使用mmap，用户可以直接在内存中读取文件，避免了这些开销。因此，在Ceph中使用mmap可以提高文件读取的效率。
然而，并不是所有场景下mmap都适用。比如，对于大型文件或者需要修改文件内容的场景，mmap可能并不是最佳选择。因为一旦使用mmap映射了文件，文件的全部内容都会加载到内存中，这会导致内存消耗过大。并且，修改文件内容会引起复制写操作，降低写入性能。因此，在使用mmap时，需要根据实际情况进行权衡和选择。
六、未完待续
下章将继续介绍异构计算的关键技术：多线程的深度探索与应用。
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