SPDK 应用编程框架_类似spdk的框架

SPDK 应用编程框架

SPDK (Storage performance development kit, http://spdk.io)  是由Intel发起、用于加速使用NVMe SSD作为后端存储的应用软件加速库。该软件库的核心是用户态、异步、轮询方式的NVMe驱动。较之内核(诸如Linux Kernel) 的NVMe驱动，它可以大幅度降低NVMe command的延迟 (Latency) ，同时提高单CPU核的IOPS，从而形成一套高性价比的解决方案，例如使用SPDK的vhost解决方案可以应用于HCI (Hyper Converged Infrastructure) 加速虚拟机中的NVMe I/O。

为了实现上述目标，仅仅提供用户态NVMe驱动的一些操作函数或源语是不够的。如果在某些应用场景中使用不当，不仅不能发挥出用户态NVMe驱动的高性能，甚至会导致程序错误。虽然NVMe的底层函数有一些说明，但为了更好地发挥出底层NVMe的性能，SPDK提供了一套编程框架 (SPDK Application Framework)，用于指导软件开发人员基于SPDK的用户态NVMe驱动以及用户态块设备层 (User space Bdev) 构造高效的存储应用。用户有两种选择：(1) 直接使用SPDK应用编程框架实现应用的逻辑；(2) 使用SPDK编程框架的思想，改造应用的编程逻辑，以更好的适配SPDK的用户态NVMe驱动。

总体而言，SPDK的应用框架可以分为以下几部分：(1) 对CPU core和线程的管理；(2) 线程间的高效通信；(3) I/O的的处理模型以及数据路径(data path)的无锁化机制。

CPU core和线程的管理

SPDK一大宗旨是使用最少的CPU核和线程来完成最多的任务。为此，SPDK在初始化程序时（目前调用spdk_app_start函数）限定使用绑定CPU的哪些核，可以在配置文件或命名行中配置，例如在命令行中使用-c 0x5是指使用core0 和core2来启动程序。通过CPU核绑定函数的亲和性可以限制住CPU的使用，并且在每个核上运行一个thread，该thread在SPDK中被称为Reactor (如Figure 1所示)。目前SPDK的环境库 (ENV) 缺省仍旧使用了DPDK的EAL库来进行管理。总而言之，Reactor thread执行一个函数 (_spdk_reactor_run), 该函数的主体包含一个while (1) {} 功能的函数，直到Reactor的state被改变，例如受到 (spdk_app_stop 的调用)。为了高效，上述循环中也会有一些相应的机制让出CPU资源 (诸如sleep)。这样的机制大多时候会导致CPU使用100%的情况，这点和DPDK比较类似。

换言之，假设一个使用SPDK编程框架的应用运用了两个CPU core，那么每个core上就会启动一个Reactor thread。如此一来，用户怎么执行自己的函数呢？为了解决该问题，SPDK提供了一个Poller的机制，即用户定义函数的分装。SPDK提供的Poller分为两种：(1) 基于定时器的Poller；(2) 非定时器的Poller。SPDK的Reactor thread对应的数据结构(struct spdk_reactor) 有相应的列表来维护Poller的机制。例如，一个链表维护定时器的Poller，一个链表维护非定时器的Poller，并且提供Poller的注册和销毁函数。在Reactor的while循环中，它会不停的check这些Poller的状态，进行相应的调用，用户的函数也因此可以进行相应的调用。由于单个CPU上只有一个Reactor thread，所以同一个Reactor thread 中不需要一些锁的机制来保护资源。当然，位于不同CPU的core上的thread还是需要通信必要。为了解决该问题，SPDK封装了线程间异步传递消息 (Async Messaging Passing) 的方式。

线程间的高效通信

SPDK放弃使用传统的加锁方式来进行线程间的通信，因为这种方案比较低效。为了使同一个thread只执行自己所管理的资源，SPDK提供了Event (事件调用) 机制。该机制的本质是每个Reactor对应的数据结构 (struct spdk_reactor) 维护了一个Event事件的ring (环)。这个环是多生产者和单消费者 (MPSC： Multiple producer Single Consumer) 的模型，即每个Reactor thread可以接收来自任何其他Reactor thread (包括当前的Reactor Thread) 的事件消息进行处理。目前SPDK中Event ring的缺省实现依赖于DPDK的机制，应该有线性锁的机制，但是相较于线程间采用锁的机制进行同步要高效得多。毫无疑问，Event ring处理的同时也在进行Reactor的函数 (_spdk_reactor_run) 处理。每个Event事件的数据结构 (struct spdk_event) 其实包括了需要执行的函数、加上相应的参数以及要执行的core。简单而言，一个Reactor A 向另外一个Reactor B通信，其实就是需要Reactor B执行函数F(X) (X是相应的参数)。基于上述机制，SPDK就实现了一套比较高效的线程间通信机制。具体例子可以参照SPDK NVMe-oF target内部的一些实现，主要代码位于 (lib/nvmf) 目录。

I/O处理模型以及数据路径的无锁化

SPDK主要的I/O 处理模型是Run-to-completion，指运行直到全部完成。上述内容中提及，使用SPDK应用框架时，一个CPU core只拥有一个thread，该thread可以执行很多Poller (包括定时和非定时器)。Run-to-completion的宗旨是让一个线程最好执行完所有的任务。显而易见，SPDK的编程框架满足了该需要。如果不使用SPDK应用编程框架，则需要编程者自己注意这个事项。例如，使用SPDK用户态NVMe驱动访问相应的I/O QPair进行读写操作，SPDK 提供了异步读写的函数 (spdk_nvme_ns_cmd_read)，同时检查是否完成的函数 (spdk_nvme_qpair_process_completions)。这些函数的调用应由一个线程完成，不应该跨线程处理。

SPDK 的I/O 路径也采用无锁化机制。当多个thread操作同意SPDK 用户态block device (bdev) 时，SPDK会提供一个I/O channel的概念 (即thread和device的一个mapping关系)。不同的thread 操作同一个device应该拥有不同的I/O channel，每个I/O channel在I/O路径上使用自己独立的资源就可以避免资源竞争，从而去除锁的机制。

常 见 问 题

01

SPDK每年发布几个版本? 发布版本号是怎么样的？

A: 4个版本。发布版本采用年份加月份的方式：YY.MM （其中MM 属于集合{1，4，7，11}）。每年一共发布4个版本，分别在1月、4月、7月和11月发布。SPDK即将发布的版本是18.04。

02

SPDK开源项目和DPDK项目是什么关系？

A：SPDK 最早项目代号WaikikiBeach，全称DPDK For Storage，2015年开源以后改为SPDK。SPDK 提供了一套环境抽象化库 (位于lib/env目录)，主要用于管理SPDK存储应用所使用的CPU资源、内存和PCIe等设备资源，其中DPDK是SPDK缺省的环境库。每次当SPDK发布新版本的使用时会使用最新发布的DPDK的稳定版本。例如，SPDK 18.04会使用DPDK18.02版本。

03

SPDK的一些典型使用场景是什么？

A：目前而言，SPDK并不是一个存储应用的通用适配解决方案。因为把内核驱动放到用户态，所以导致需要在用户态实施一套基于用户态软件驱动的完整I/O栈。文件系统毫无疑问是其中的一个重要话题，而内核的文件系统 (例如linux EXT4和btrfs等) 已经无法直接使用。虽然目前SPDK 提供了非常简单的“文件系统”blobfs/blostore, 但并不支持POSIX接口。为此，如果要将使用文件系统的应用直接迁移到SPDK的用户态“文件系统”上，还需要做一些代码移植工作。例如，不使用POSIX接口，转而采用类似于AIO的异步读写方式。SPDK社区一直朝着该方向努力，现如今SPDK在以下应用场景中的使用比较好：(1) 提供块设备接口的后端存储应用，诸如iSCSI Target和 NVMe-oF Target；(2) 对虚拟机中I/O (virtio) 的加速，主要支持Linux系统下的QEMU/KVM作为hypervisor 管理虚拟机的场景，使用vhost交互协议实现基于共享内存通道的高效vhost用户态target （例如vhost SCSI/blk/NVMe target），从而加速虚拟机中virto SCSI/blk和kernel Native NVMe协议的I/O 驱动。其主要原理是减少了VM中断等事件的数目（例如interrupt,和VM_EXIT），并缩短了host OS中的I/O栈；(3) SPDK加速数据库存储引擎。通过实现了RocksDB中的抽象文件类，SPDK的blobfs/blobstore目前可以和Rocksdb集成，用于在NVMe SSD上加速实现RocksDB引擎的使用。该操作的实质是bypass kernel文件系统将完全使用基于SPDK的用户态I/O stack。此外，参照SPDK对Rocksdb的支持，亦可以用SPDK blobfs/blobstore 整合其他的数据库存储引擎。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/kkok9eOD0yFGHNuIQ-n_qQ

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