Go 系统调用与 C 系统调用

Question

Go 和 C 都直接涉及系统调用（从技术上讲，C 将调用存根）。

从技术上讲，write 既是系统调用又是 C 函数（至少在许多系统上是这样）。 然而，C 函数只是一个调用系统调用的存根。 Go 没有调用这个 stub，它直接调用系统调用，也就是说这里不涉及 C

来自C write call 和 Go syscall.Write 之间的差异

我的基准测试显示，在最新版本 (go1.11) 中，纯 C 系统调用比纯 Go 系统调用快 15.82%。

我错过了什么？ 可能是什么原因以及如何优化它们？

基准：

走：

package main_test

import (
    "syscall"
    "testing"
)

func writeAll(fd int, buf []byte) error {
    for len(buf) > 0 {
        n, err := syscall.Write(fd, buf)
        if n < 0 {
            return err
        }
        buf = buf[n:]
    }
    return nil
}

func BenchmarkReadWriteGoCalls(b *testing.B) {
    fds, _ := syscall.Socketpair(syscall.AF_UNIX, syscall.SOCK_STREAM, 0)
    message := "hello, world!"
    buffer := make([]byte, 13)
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        writeAll(fds[0], []byte(message))
        syscall.Read(fds[1], buffer)
    }
}

C：

#include <time.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>

int write_all(int fd, void* buffer, size_t length) {
    while (length > 0) {
        int written = write(fd, buffer, length);
        if (written < 0)
            return -1;
        length -= written;
        buffer += written;
    }
    return length;
}

int read_call(int fd, void *buffer, size_t length) {
    return read(fd, buffer, length);
}

struct timespec timer_start(){
    struct timespec start_time;
    clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &start_time);
    return start_time;
}

long timer_end(struct timespec start_time){
    struct timespec end_time;
    clock_gettime(CLOCK_PROCESS_CPUTIME_ID, &end_time);
    long diffInNanos = (end_time.tv_sec - start_time.tv_sec) * (long)1e9 + (end_time.tv_nsec - start_time.tv_nsec);
    return diffInNanos;
}

int main() {
    int i = 0;
    int N = 500000;
    int fds[2];
    char message[14] = "hello, world!\0";
    char buffer[14] = {0};

    socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, fds);
    struct timespec vartime = timer_start();
    for(i = 0; i < N; i++) {
        write_all(fds[0], message, sizeof(message));
        read_call(fds[1], buffer, 14);
    }
    long time_elapsed_nanos = timer_end(vartime);
    printf("BenchmarkReadWritePureCCalls\t%d\t%.2ld ns/op\n", N, time_elapsed_nanos/N);
}

340个不同的运行，每个C运行包含500000次执行，每个Go运行包含bN次执行（大部分是500000，少数在1000000次执行）：

2 个独立均值的 T 检验：t 值为 -22.45426。 p 值 < .00001。 结果在 p < .05 处显着。

2 个相关均值的 T 检验计算器：t 的值为 15.902782。 p 的值 < 0.00001。 结果在 p ≤ 0.05 时显着。

---

更新：我在答案中管理了该提议并编写了另一个基准测试，它表明所提议的方法显着降低了大量 I/O 调用的性能，其性能接近 CGO 调用。

基准：

func BenchmarkReadWriteNetCalls(b *testing.B) {
    cs, _ := socketpair()
    message := "hello, world!"
    buffer := make([]byte, 13)
    for i := 0; i < b.N; i++ {
        cs[0].Write([]byte(message))
        cs[1].Read(buffer)
    }
}

func socketpair() (conns [2]net.Conn, err error) {
    fds, err := syscall.Socketpair(syscall.AF_LOCAL, syscall.SOCK_STREAM, 0)
    if err != nil {
        return
    }
    conns[0], err = fdToFileConn(fds[0])
    if err != nil {
        return
    }
    conns[1], err = fdToFileConn(fds[1])
    if err != nil {
        conns[0].Close()
        return
    }
    return
}

func fdToFileConn(fd int) (net.Conn, error) {
    f := os.NewFile(uintptr(fd), "")
    defer f.Close()
    return net.FileConn(f)
}

上图显示，100次不同的运行，每次C运行包含500000次执行，每次Go运行包含bN次执行（多为500000次，少数执行1000000次）

Answer 1

我的基准测试显示，在最新版本 (go1.11) 中，纯 C 系统调用比纯 Go 系统调用快 15.82%。

我错过了什么？ 可能是什么原因以及如何优化它们？

原因是，虽然 C 和 Go（在 Go 支持的典型平台上——例如 Linux 或 *BSD 或 Windows）都被编译为机器代码，但 Go-native 代码在与 C 完全不同的环境中运行。

与 C 的两个主要区别是：

• Go 代码在所谓的 goroutine 的上下文中运行，Go 运行时在不同的 OS 线程上自由调度这些 goroutine。
• Goroutines 使用它们自己的（可增长和可重新分配的）轻量级堆栈，这些堆栈与操作系统提供的堆栈 C 代码使用无关。

因此，当 Go 代码想要进行系统调用时，应该会发生很多事情：

1. 即将进入系统调用的 goroutine 必须“固定”到它当前运行的操作系统线程。
2. 必须切换执行以使用操作系统提供的 C 堆栈。
3. 在 Go 运行时的调度程序中进行了必要的准备。
4. goroutine 进入系统调用。
5. 退出时必须恢复 goroutine 的执行，这本身是一个相对复杂的过程，如果 goroutine在系统调用中的时间过长并且调度程序从该 goroutine 下删除了所谓的“处理器”，则可能会受到额外的阻碍，产生另一个 OS 线程并使该处理器运行另一个 goroutine（“处理器”，或P是在 OS 线程上运行 goroutine 的东西）。

---

更新以回答 OP 的评论

<...> 因此没有办法优化，如果我进行大量 IO 调用，我必须忍受，不是吗？

这在很大程度上取决于您所追求的“大规模 I/O”的性质。

如果您的示例（使用socketpair(2) ）不是玩具，则根本没有理由直接使用系统调用： socketpair(2)返回的socketpair(2)是“可轮询的”，因此 Go 运行时可能会使用其原生的“netpoller”机制来对它们执行 I/O。 这是我的一个项目中的一个工作代码，它正确地“包装”了socketpair(2)生成的socketpair(2)以便它们可以用作“常规”套接字（由net标准包中的函数生成）：

func socketpair() (net.Conn, net.Conn, error) {
       fds, err := syscall.Socketpair(syscall.AF_LOCAL, syscall.SOCK_STREAM, 0)
       if err != nil {
               return nil, nil, err
       }

       c1, err := fdToFileConn(fds[0])
       if err != nil {
               return nil, nil, err
       }

       c2, err := fdToFileConn(fds[1])
       if err != nil {
               c1.Close()
               return nil, nil, err
       }

       return c1, c2, nil
}

func fdToFileConn(fd int) (net.Conn, error) {
       f := os.NewFile(uintptr(fd), "")
       defer f.Close()
       return net.FileConn(f)
}

如果您在谈论某种其他类型的 I/O，答案是肯定的，系统调用并不便宜，如果您必须执行大量操作，则有一些方法可以解决它们的成本（例如卸载到某些 C 代码） ——作为外部进程链接或连接——这将以某种方式对它们进行批处理，以便对该 C 代码的每次调用都会导致 C 端完成多个系统调用）。