第四阶段总结-邵卓炜

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+title: 第四阶段总结-邵卓炜
+date: 2025-06-30 22:23:12
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+### 基于Iouring的异步运行时
+我首先选择完成的任务是[基于iouring的用户态异步运行时](https://github.com/Shao-ZW/kunio)，支持常见的文件和网络（Tcp）io。在我的实践经历来看，构建一个高性能的用户态异步运行时，就像是在应用程序内部再造了一个微型的操作系统，它接管了传统上由内核负责的部分调度和I/O管理职责，目的是为了消除内核/用户态切换的开销，并最大化I/O吞吐量。
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+为了实现的简单，我选择了thread-per-core 的任务调度模型。简单来说，thread-per-core可以理解为每个CPU核心分配一个独立的执行线程，每个线程（每个核心）都拥有自己的任务队列。当一个异步任务被提交时，它会被放入相应核心的任务队列中。这种设计有几个优势，一是减少竞争，由于每个线程操作自己的队列，线程间避免了共享锁的开销；二是缓存友好：任务和数据在特定核心上处理，能更好地利用CPU缓存，减少缓存失效，提高数据访问速度；三是不需要对每个任务有Send的限制。
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+IO接口的异步封装，负责与将os暴露的io接口改造成rust async/await异步语法的形式。传统的I/O模型（如 select, poll, epoll）虽然是非阻塞的，但它们本质上是“事件通知”模型——通知你有事件发生了，你再去读取数据。这依然涉及用户态和内核态之间的多次上下文切换。io_uring 则是提供了更为本质的异步io接口，一种全新的提交-完成模型————队列 (SQ)：用户态应用程序将各种I/O操作（如文件读写、网络套接字的发送接收等）封装成请求，批量地放入一个共享的内核提交队列中;完成队列 (CQ)：内核处理完这些I/O请求后，会将结果（成功与否、处理了多少字节等）批量地放入另一个共享的内核完成队列中。应用程序只需定期检查这个完成队列，就能得知哪些I/O操作已经完成，以及它们的结果。
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+### 无锁ringbuffer BBQ
+为了进一步优化我们比赛的OS内核的任务队列，我选择参考BBQ paper实现的[无锁ringbuffer](https://github.com/Shao-ZW/bbring)，虽然最终性能并不理想，但实现该结构是一个很有趣的历程。大多数lock-free ringbuffer基于version+idx组成的 Atmoicusize 作为头尾指针，并通过loop + CAS方式更新头尾指针，version主要用于解决ABA问题；而BBQ通过将数组分块，头尾指针变为头尾块指针，并且在每个块的内部额外维护2个指针（allocated/reserved）以及2个计数（committed/consumed），一个显然的好处是头节点可以直接通过FAA指令获取分配位置。我对我实现的bbq进行了性能测试，目前实现的BBQ的性能表现非常糟糕，对比crossbeam-arrayqueue，尤其在SPMC、MPMC场景下吞吐差距在10倍以上甚至更多。并且我在实践中认为算法本身还有些边缘情形处理的问题，感兴趣的同学可移步[讨论区](https://github.com/Shao-ZW/bbring/discussions/1)。无锁的设计总是“危险”而精妙的，哪怕论文给出算法伪代码，实现的过程依然是相当曲折的，内存序的问题，aba问题，以及如何调整测试复现特定的bug，这个过程只有踩过坑才能知道痛。
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+### os内核赛中组件化和异步化尝试
+关于我们的[比赛内核](https://github.com/greatbridf/osdev)，我和我的队友在原先宏内核的基础上做了大量的改动，内容聚焦在组件化拆分以及异步化改造，前者主要集中在工作量上的庞大，如果确定好组件的依赖，如何设计出合适接口，这都需要仔细考量；异步化的改造客观来说工作量也很大，这是async传染性带来的必然，（如果重头构建一个异步内核可能相对好点），所以说目前我们为了必然大范围的传染性，会使用block_on语义的函数做一个暂时解决方案。异步os一个大的优势是不需要对每个task分配内核栈，这确实会节约相当大的内存开销，但任务异步化引入的问题之一就是内核抢占，2024届内核赛获奖内核[Phoenix](https://gitlab.eduxiji.net/educg-group-26010-2376550/T202418123993075-2940)给出的解决方案是通过设置抢占标志允许至多一次的内核抢占，这是一个不错的方案，但通用性能否做的更好一点呢？或许早先组会上听到有无栈的结合是最佳的解决方案，但由于内核比赛测试临近，最近的工作在不停的修syscall，暂时没时间研究，希望能在决赛时拿出我们认为优秀的解决方案。
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+相关参考资料
+monoio设计介绍[https://rustmagazine.github.io/rust_magazine_2021/chapter_12/monoio.html]
+iouring介绍[https://arthurchiao.art/blog/intro-to-io-uring-zh/]
+BBQ论文[https://www.usenix.org/conference/atc22/presentation/wang-jiawei]
+AsyncOs[https://asyncos.github.io]