[置顶] IO-Polling实现分析与性能评测

Linux内核4.4版本中引入IO-Polling的处理模式，这一动态引发了业界对于IO处理模式的一番讨论。事实上，在最早期的计算机系统中，Polling（轮询）曾是主流的IO处理模式，但是为了提高CPU的利用率，中断后来居上成了主流。这篇文章将从IO-Polling和中断的工作原理入手，着重对比两者对NVMe SSD（高速固态存储介质的代表）设备性能的影响，在下一篇文章中，笔者还将对IO-Polling的代码做简单分析。

注：上文提到了Linux内核4.4版本中引入了IO-Polling，该模式和早期的轮询工作方式是有很大区别的。首先并非所有IO设备都是Polling模式，其次对于同一类IO设备，通过接口指定某个设备是否支持Polling。这种Polling更灵活，对于上层的各种混合业务配置也更方便。为了对新旧IO-Polling进行区分，早期的IO-Polling统一称作轮询；而最新的IO-Polling仍将称作IO-Polling。

IO-Polling与中断的原理对比

轮询是指CPU不断地等待并轮询IO设备，看看该IO设备是否有可用的数据到来或者是否准备好发送下一字节数据。假设打印机需要十秒来接收另一个直接的数据，IO-Polling的处理模式下，在打印机处理前一波数据的10秒内，CPU除了重复循环的询问打印机是否准备好接收处理下一字节数据外，将不做任何事情。而同样的时间，CPU可以执行超过二百亿次指令。可想而知，慢速设备轮询模式将是对CPU的极大浪费。

相比轮询，中断能够有效的提高CPU利用率。当IO设备准备好数据时，通知CPU；CPU将中断当前进行的工作任务，并调用特殊的中断服务程序，保存当前状态。及时处理IO设备准备好的数据，处理完IO数据后，在返回继续以前的工作任务。在中断的工作模式下，CPU可以在任务中连续工作而并不检查IO设备，允许IO设备在必要时通知中断它的工作。中断的工作模式下，IO设备和CPU是并行工作的，这极大提高了CPU的利用率。

从上文对轮询和中断原理的介绍可以发现，对于打印机、磁盘这样的IO设备，中断有着巨大的优势，但是在高速存储设备快速发展的今天，PCIe SSD已经非常普及，存储介质从磁带和磁盘向闪存和更新的非易失性介质演进，可以说存储IO设备的处理速度已经有了一个质的提升。

在这样一个背景IO中断处理引入的上下文切换所带来的延迟已经不容忽视。例如一个NVMe SSD的写延迟20μs，而上下文切换大约占用5μs，在延迟占比达25%，这已经是一个较高的开销比例。对于延迟敏感的业务而言，底层的5μs也是一大开销影响。IO-Polling迎来了新的发展机遇。

NVMe设备IO-Polling与中断性能对比

本文中仅做了NVMe SSD在IO-Polling和中断情况下的同步IO模式的性能对比测试。对于libaio的测试结果无效，因为在4.4的内核中还没有实现libaio的IO-Polling模式。

测试方法以及环境配置

A. 编译安装4.4版本的内核

1. 下载linux-4.4.tar.xz并解压缩

2. make menuconfig

3. make

4. make modules

5. make modules_install

6. make install

B. 修改grub，并reboot启动新内核：

C. 测试方法与步骤：

1. 设备预处理

2. 测试中断模式下的性能

3. 开启polling模式

4. 测试polling模式下的性能

D. 测试工具：

Fio-2.2.9

4K随机读延迟性能

从4K随机读延迟性能对比图上我们可以看出，中断模式的4K随机读延迟比IO-Polling模式的延迟要大6μs，延迟降低7%左右，并且IO-Polling模式下，延迟非常平稳，几乎没有抖动。

4K随机写延迟性能

从4K随机写延迟性能对比图上我们可以看出，中断模式的4K随机写的延迟比IO-Polling模式的延迟要大5μs，延迟降低20%左右。并且同4K随机读类似，IO-Polling模式下，延迟也比非IO-Polling的延迟要平稳一些。

测试结果总结

从上述测试结果来看，IO-Polling对于sync模式的direct-io的延迟有较好的提升，sync模式下，无论4K随机读或者随机写IO压力下，延迟平均大约减少5μs，而这5μs几乎就是中断模式下，处理中断时，上下文切换的时间差。相比随机读，对随机写的延迟降低约20%，这对延迟敏感的IO请求来说是极大的性能提升。

本文作者Luna是Memblaze产品工程师，主要的研究方向包括KVM、Virtio等虚拟化技术，最擅长的是PCIe SSD在KVM的虚拟化场景中的优化。Luna之前的一篇文章《QEMU-KVM I/O性能优化之Virtio-blk-data-plane》详细分析了Virtio-blk-data-plane技术原理，并通过测试展示了其性能优势。