提高mmap memcpy文件的读取性能

Question

我有一个顺序从文件中读取数据的应用程序。 有些是直接从指向mmap ed文件的指针读取的，其他部分是从文件memcpy ed到另一个缓冲区。 我注意到在执行大量memcpy我需要的所有内存（1MB块）时表现不佳，并且在执行大量较小的memcpy调用时性能更好（在我的测试中，我使用了4KB，页面大小占了1/3运行的时间。）我认为在使用大型memcpy时，问题是大量的主要页面错误。

我尝试了各种调整参数（ MAP_POPUATE ， MADV_WILLNEED ， MADV_SEQUENTIAL ），没有任何明显的改进。

我不确定为什么许多小的memcpy呼叫应该更快; 这似乎违反直觉。 有没有办法改善这个？

结果和测试代码如下。

在CentOS 7（linux 3.10.0）上运行，默认编译器（gcc 4.8.5），从常规磁盘的RAID阵列读取29GB文件。

使用/usr/bin/time -v ：

4KB memcpy ：

User time (seconds): 5.43
System time (seconds): 10.18
Percent of CPU this job got: 75%
Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 0:20.59
Major (requiring I/O) page faults: 4607
Minor (reclaiming a frame) page faults: 7603470
Voluntary context switches: 61840
Involuntary context switches: 59

1MB memcpy ：

User time (seconds): 6.75
System time (seconds): 8.39
Percent of CPU this job got: 23%
Elapsed (wall clock) time (h:mm:ss or m:ss): 1:03.71
Major (requiring I/O) page faults: 302965
Minor (reclaiming a frame) page faults: 7305366
Voluntary context switches: 302975
Involuntary context switches: 96

MADV_WILLNEED似乎对1MB复制结果没有太大影响。

MADV_SEQUENTIAL减慢了1MB的复制结果，我没等它完成（至少7分钟）。

MAP_POPULATE将1MB复制结果减慢约15秒。

用于测试的简化代码：

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <stdexcept>

#include <fcntl.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int
main(int argc, char *argv[])
{
  try {
    char *filename = argv[1];

    int fd = open(filename, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
      throw std::runtime_error("Failed open()");
    }

    off_t file_length = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    if (file_length == (off_t)-1) {
      throw std::runtime_error("Failed lseek()");
    }

    int mmap_flags = MAP_PRIVATE;
#ifdef WITH_MAP_POPULATE
    mmap_flags |= MAP_POPULATE;  // Small performance degredation if enabled
#endif

    void *map = mmap(NULL, file_length, PROT_READ, mmap_flags, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
      throw std::runtime_error("Failed mmap()");
    }

#ifdef WITH_MADV_WILLNEED
    madvise(map, file_length, MADV_WILLNEED);    // No difference in performance if enabled
#endif

#ifdef WITH_MADV_SEQUENTIAL
    madvise(map, file_length, MADV_SEQUENTIAL);  // Massive performance degredation if enabled
#endif

    const uint8_t *file_map_i = static_cast<const uint8_t *>(map);
    const uint8_t *file_map_end = file_map_i + file_length;

    size_t memcpy_size = MEMCPY_SIZE;

    uint8_t *buffer = new uint8_t[memcpy_size];

    while (file_map_i != file_map_end) {
      size_t this_memcpy_size = std::min(memcpy_size, static_cast<std::size_t>(file_map_end - file_map_i));
      memcpy(buffer, file_map_i, this_memcpy_size);
      file_map_i += this_memcpy_size;
    }
  }
  catch (const std::exception &e) {
    std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
  }

  return 0;
}

Answer 1

如果底层文件和磁盘系统不够快，那么使用mmap()或POSIX open() / read()还是标准C fopen() / fread()或C ++ iostream都无关紧要。

如果性能真的很重要，并且底层文件和磁盘系统足够快， mmap()可能是顺序读取文件的最糟糕方式。 映射页面的创建是相对昂贵的操作，并且由于每个数据字节只读取一次，因此每次实际访问的成本可能是极端的。 使用mmap()也会增加系统的内存压力。 您可以在阅读后明确显示munmap()页面，但是当映射被拆除时，您的处理可能会停止。

使用直接IO可能是最快的，特别是对于大文件，因为没有涉及大量的页面错误。 直接IO绕过页面缓存，这对于只读取一次数据是一件好事。 缓存数据只读一次 - 永远不会被重读 - 不仅无用，而且可能适得其反，因为CPU周期被用来驱逐页面缓存中的有用数据。

示例（为清楚起见省略了标题和错误检查）：

int main( int argc, char **argv )
{
    // vary this to find optimal size
    // (must be a multiple of page size)
    size_t copy_size = 1024UL * 1024UL;

    // get a page-aligned buffer
    char *buffer;
    ::posix_memalign( &buffer, ( size_t ) ( 4UL * 1024UL ), copy_size );

    // make sure the entire buffer's virtual-to-physical mappings
    // are actually done (can actually matter with large buffers and
    // extremely fast IO systems)
    ::memset( buffer, 0, copy_size );

    fd = ::open( argv[ 1 ], O_RDONLY | O_DIRECT );

    for ( ;; )
    {
        ssize_t bytes_read = ::read( fd, buffer, copy_size );
        if ( bytes_read <= 0 )
        {
            break;
        }
    }

    return( 0 );
}

在Linux上使用直接IO时存在一些警告。 文件系统支持可能不稳定，直接IO的实现可能很挑剔。 您可能必须使用页面对齐的缓冲区来读取数据，如果文件不是整页，您可能无法读取文件的最后一页。