DatenLord｜重新思考Rust Async如何实现高性能IO

作者： 王璞

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长期以来，计算机系统IO的速度一直没能跟上CPU速度的提升，相比而言IO往往成为系统的性能瓶颈，计算任务等待IO存取数据，成为高性能系统的一大性能瓶颈。本文先剖析IO性能瓶颈的根源，然后举例说明如何解决IO瓶颈，最后简要介绍我们在高性能IO方面的尝试。

目录

IO性能瓶颈

如何实现高性能IO

我们的尝试

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IO性能瓶颈

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当用户程序执行IO操作时，绝大多数情况下是调用操作系统内核提供的系统调用来执行IO操作，最常见的IO系统调用是read和write。在现代计算机体系结构和操作系统的架构下，导致程序IO性能瓶颈主要有三大因素：阻塞、上下文切换、内存拷贝。下面分别简述为什么这三个因素会导致程序性能下降。

阻塞

阻塞比较好理解，比如用户程序调用read系统调用来读取数据，如果要读取的数据没有准备好（没有命中缓存），那用户程序就会被阻塞，导致用户程序休眠。等要读的数据加载到系统态的内存之后，内核再唤醒用户程序来读取数据。

阻塞对用户程序性能最大的影响在于，用户程序会被强制休眠，而且用户程序什么时候被唤醒也无法控制，程序休眠期间什么都不能做。于是阻塞带来了大量的休眠等待时间。如果程序把大量时间花在阻塞等待IO上，自然IO效率低下，进而导致程序性能受影响。

上下文切换

上下文切换是操作系统的基本概念。内核运行在系统态，用户程序运行在用户态，这么做主要是处于安全的考虑，限制用户程序的权限。用户程序调用系统调用执行IO操作，会发生上下文切换，比如用户程序调用read系统调用来读取数据，用户程序的上下文被保存起来，然后切换到内核态执行read系统调用，当read系统调用执行完毕，再切换回用户程序。

上下文切换的代价不小，一方面内核要保存上下文现场，另一方面CPU的流水线也会被上下文切换打断，需要重新加载指令。上下文切换等同一次中断操作，于是系统调用也被称软中断。频繁的上下文操作对计算机系统带来很大的开销，导致程序执行效率大大降低，进而极大影响程序的性能。

此外，阻塞的时候，一定会发生上下文切换。还是沿用read操作的例子，用