DPDK內(nèi)存的基本概念

作者簡介：Anatoly Burakov，英特爾軟件工程師，

目前在維護(hù)DPDK中的VFIO和內(nèi)存子系統(tǒng)

引言

內(nèi)存管理是數(shù)據(jù)面開發(fā)套件（DPDK）的一個(gè)核心部分，以此為基礎(chǔ)，DPDK的其他部分和用戶應(yīng)用得以發(fā)揮其最佳性能。本系列文章將詳細(xì)介紹DPDK提供的各種內(nèi)存管理的功能。

但在此之前，有必要先談一談為何DPDK中內(nèi)存管理要以現(xiàn)有的方式運(yùn)作，它背后又有怎樣的原理，再進(jìn)一步探討DPDK具體能夠提供哪些與內(nèi)存相關(guān)的功能。本文將先介紹DPDK內(nèi)存的基本原理，并解釋它們是如何幫助DPDK實(shí)現(xiàn)高性能的。

請(qǐng)注意，雖然DPDK支持FreeBSD，而且也會(huì)有正在運(yùn)行的Windows端口，但目前大多數(shù)與內(nèi)存相關(guān)的功能僅適用于Linux*。

標(biāo)準(zhǔn)大頁

現(xiàn)代CPU架構(gòu)中，內(nèi)存管理并不以單個(gè)字節(jié)進(jìn)行，而是以頁為單位，即虛擬和物理連續(xù)的內(nèi)存塊。這些內(nèi)存塊通常(但不是必須) 存儲(chǔ)在RAM中。在英特爾64和IA-32架構(gòu)上，標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的頁面大小為4KB。

基于安全性和通用性的考慮，軟件的應(yīng)用程序訪問的內(nèi)存位置使用的是操作系統(tǒng)分配的虛擬地址。運(yùn)行代碼時(shí)，該虛擬地址需要被轉(zhuǎn)換為硬件使用的物理地址。這種轉(zhuǎn)換是操作系統(tǒng)通過頁表轉(zhuǎn)換來完成的，頁表在分頁粒度級(jí)別上（即4KB一個(gè)粒度）將虛擬地址映射到物理地址。為了提高性能，最近一次使用的若干頁面地址被保存在一個(gè)稱為轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖區(qū)(TLB)的高速緩存中。每一分頁都占有TLB的一個(gè)條目。如果用戶的代碼訪問(或最近訪問過)16 KB的內(nèi)存，即4頁，這些頁面很有可能會(huì)在TLB緩存中。

如果其中一個(gè)頁面不在TLB緩存中，嘗試訪問該頁面中包含的地址將導(dǎo)致TLB查詢失?。灰簿褪钦f，操作系統(tǒng)寫入TLB的頁地址必須是在它的全局頁表中進(jìn)行查詢操作獲取的。因此，TLB查詢失敗的代價(jià)也相對(duì)較高(某些情況下代價(jià)會(huì)非常高)，所以最好將當(dāng)前活動(dòng)的所有頁面都置于TLB中以盡可能減少TLB查詢失敗。

然而，TLB的大小有限，而且實(shí)際上非常小，和DPDK通常處理的數(shù)據(jù)量(有時(shí)高達(dá)幾十GB)比起來，在任一給定的時(shí)刻，4KB 標(biāo)準(zhǔn)頁面大小的TLB所覆蓋的內(nèi)存量（幾MB）微不足道。這意味著，如果DPDK采用常規(guī)內(nèi)存，使用DPDK的應(yīng)用會(huì)因?yàn)門LB頻繁的查詢失敗在性能上大打折扣。

為解決這個(gè)問題，DPDK依賴于標(biāo)準(zhǔn)大頁。從名字中很容易猜到，標(biāo)準(zhǔn)大頁類似于普通的頁面，只是會(huì)更大。有多大呢？在英特爾64和1A-32架構(gòu)上，目前可用的兩種大頁大小為2MB和1GB。也就是說，單個(gè)頁面可以覆蓋2 MB或1 GB大小的整個(gè)物理和虛擬連續(xù)的存儲(chǔ)區(qū)域。

圖1. TLB內(nèi)存覆蓋量比較

這兩種頁面大小DPDK都可以支持。有了這樣的頁面大小，就可以更容易覆蓋大內(nèi)存區(qū)域，也同時(shí)避免(同樣多的)TLB查詢失敗。反過來，在處理大內(nèi)存區(qū)域時(shí)，更少的TLB查詢失敗也會(huì)使性能得到提升，DPDK的用例通常如此。

將內(nèi)存固定到NUMA節(jié)點(diǎn)

當(dāng)分配常規(guī)內(nèi)存時(shí)，理論上，它可以被分配到RAM中的任何位置。這在單CPU系統(tǒng)上沒有什么問題，但是許多DPDK用戶是在支持非統(tǒng)一內(nèi)存訪問 (NUMA) 的多CPU系統(tǒng)上運(yùn)行應(yīng)用的。對(duì)于NUMA來說，所有內(nèi)存都是不同的：某一個(gè)CPU對(duì)一些內(nèi)存的訪問（如不在該CPU所屬NUMA NODE上的內(nèi)存）將比其他內(nèi)存訪問花費(fèi)更長的時(shí)間，這是由于它們相對(duì)于執(zhí)行所述內(nèi)存訪問的CPU所在的物理位置不同。進(jìn)行常規(guī)內(nèi)存分配時(shí)，通常無法控制該內(nèi)存分配到哪里，因此如果DPDK在這樣的系統(tǒng)上使用常規(guī)內(nèi)存，就可能會(huì)導(dǎo)致以下的情況：在一個(gè)CPU上執(zhí)行的線程卻在無意中訪問屬于非本地NUMA節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存。

圖2. 理想的NUMA節(jié)點(diǎn)分配

雖然這種跨NUMA節(jié)點(diǎn)訪問在所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)上都比較少有，因?yàn)檫@樣的訪問都是都是NUMA感知的，而且即使沒有DPDK還是有方法能對(duì)內(nèi)存實(shí)施NUMA定位。但是DPDK帶來的不僅僅是NUMA感知，事實(shí)上，整個(gè)DPDK API的構(gòu)建都旨在為每個(gè)操作提供明確的NUMA感知。如果不明確請(qǐng)求NUMA節(jié)點(diǎn)訪問（其中所述結(jié)構(gòu)必須位于內(nèi)存中），通常無法分配給定的DPDK數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

DPDK API提供的這種明確的NUMA感知有助于確保用戶應(yīng)用在每個(gè)操作中都能考慮到NUMA感知；換句話說，DPDK API可以減少寫出編寫性能差的代碼的可能性。

硬件、物理地址和直接內(nèi)存存取（DMA）

DPDK被認(rèn)為是一組用戶態(tài)的網(wǎng)絡(luò)包輸入/輸出庫，到目前為止，它基本上保持了最初的任務(wù)聲明。但是，電腦上的硬件不能處理用戶空間的虛擬地址，因?yàn)樗荒芨兄魏斡脩魬B(tài)的進(jìn)程和其所分配到的用戶空間虛擬地址。相反，它只能訪問真實(shí)的物理地址上的內(nèi)存，也就是CPU、RAM和系統(tǒng)所有其他的部分用來相互通信的地址。

出于對(duì)效率的考量，現(xiàn)代硬件幾乎總是使用直接內(nèi)存存?。―MA）事務(wù)。通常，為了執(zhí)行一個(gè)DMA事務(wù)，內(nèi)核需要參與創(chuàng)建一個(gè)支持DMA的存儲(chǔ)區(qū)域，將進(jìn)程內(nèi)虛擬地址轉(zhuǎn)換成硬件能夠理解的真實(shí)物理地址，并啟動(dòng)DMA事務(wù)。這是大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)中輸入輸出的工作方式；然而，這是一個(gè)耗時(shí)的過程，需要上下文切換、轉(zhuǎn)換和查找操作，這不利于高性能輸入/輸出。

DPDK的內(nèi)存管理以一種簡單的方式解決了這個(gè)問題。每當(dāng)一個(gè)內(nèi)存區(qū)域可供DPDK使用時(shí)，DPDK就通過詢問內(nèi)核來計(jì)算它的物理地址。由于DPDK使用鎖定內(nèi)存，通常以大頁的形式，底層內(nèi)存區(qū)域的物理地址預(yù)計(jì)不會(huì)改變，因此硬件可以依賴這些物理地址始終有效，即使內(nèi)存本身有一段時(shí)間沒有使用。然后，DPDK會(huì)在準(zhǔn)備由硬件完成的輸入/輸出事務(wù)時(shí)使用這些物理地址，并以允許硬件自己啟動(dòng)DMA事務(wù)的方式配置硬件。這使DPDK避免不必要的開銷，并且完全從用戶空間執(zhí)行輸入/輸出。

IOMMU和IOVA

默認(rèn)情況下，任何硬件都可以訪問整個(gè)系統(tǒng)，因此它可以在任何地方執(zhí)行DMA 事務(wù)。這有許多安全隱患。例如，流氓和/或不可信進(jìn)程(包括在VM (虛擬機(jī))內(nèi)運(yùn)行的進(jìn)程)可能使用硬件設(shè)備來讀寫內(nèi)核空間，和幾乎其他任何存儲(chǔ)位置。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)代系統(tǒng)配備了輸入輸出內(nèi)存管理單元(IOMMU)。這是一種硬件設(shè)備，提供DMA地址轉(zhuǎn)換和設(shè)備隔離功能，因此只允許特定設(shè)備執(zhí)行進(jìn)出特定內(nèi)存區(qū)域(由IOMMU指定)的DMA 事務(wù)，而不能訪問系統(tǒng)內(nèi)存地址空間的其余部分。

由于IOMMU的參與，硬件使用的物理地址可能不是真實(shí)的物理地址，而是IOMMU分配給硬件的(完全任意的)輸入輸出虛擬地址(IOVA)。一般來說，DPDK社區(qū)可以互換使用物理地址和IOVA這兩個(gè)術(shù)語，但是根據(jù)上下文，這兩者之間的區(qū)別可能很重要。例如，DPDK 17.11和更新的DPDK長期支持(LTS)版本在某些情況下可能根本不使用實(shí)際的物理地址，而是使用用戶空間虛擬地址(甚至完全任意的地址)來實(shí)現(xiàn)DMA。IOMMU負(fù)責(zé)地址轉(zhuǎn)換，因此硬件永遠(yuǎn)不會(huì)注意到兩者之間的差異。

圖3 .IOMMU將物理地址重新映射到IOVA地址的示例

根據(jù)DPDK的初始化方式，IOVA地址可能代表也可能不代表實(shí)際的物理地址，但有一點(diǎn)始終是正確的:DPDK知道底層內(nèi)存布局，因此可以利用這一點(diǎn)。例如，它可以以創(chuàng)建IOVA連續(xù)虛擬區(qū)域的方式映射頁面，或者甚至利用IOMMU來重新排列內(nèi)存映射，以使內(nèi)存看起來IOVA連續(xù)，即使底層物理內(nèi)存可能不連續(xù)。

因此，這種對(duì)底層物理內(nèi)存區(qū)域的感知是DPDK工具包中的又一個(gè)利器。大多數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不關(guān)心IOVA地址，但當(dāng)它們關(guān)心時(shí)，DPDK為軟件和硬件提供了利用物理內(nèi)存布局的工具，并針對(duì)不同的用例進(jìn)行優(yōu)化。

請(qǐng)注意，IOMMU不會(huì)自行設(shè)置任何映射。相反，平臺(tái)、硬件和操作系統(tǒng)必須進(jìn)行配置，來使用IOMMU。這種配置說明超出了本系列文章的范圍，但是在DPDK文檔和其他地方有相關(guān)說明。一旦系統(tǒng)和硬件設(shè)置為使用IOMMU，DPDK就可以使用IOMMU為DPDK分配的任何內(nèi)存區(qū)域設(shè)置DMA映射。使用IOMMU是運(yùn)行DPDK的推薦方法，因?yàn)檫@樣做更安全，并且它提供了可用性優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)存分配和管理

DPDK不使用常規(guī)內(nèi)存分配函數(shù)，如malloc()。相反，DPDK管理自己的內(nèi)存。更具體地說，DPDK分配大頁并在此內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)堆(heap)并將其提供給用戶應(yīng)用程序并用于存取應(yīng)用程序內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

使用自定義內(nèi)存分配器有許多優(yōu)點(diǎn)。最明顯的一個(gè)是終端應(yīng)用程序的性能優(yōu)勢(shì)：DPDK創(chuàng)建應(yīng)用程序要使用的內(nèi)存區(qū)域，并且應(yīng)用程序可以原生支持大頁、NUMA節(jié)點(diǎn)親和性、對(duì)DMA地址的訪問、IOVA連續(xù)性等等性能優(yōu)勢(shì)，而無需任何額外的開發(fā)。

DPDK內(nèi)存分配總是在CPU高速緩存行(cache line)的邊界上對(duì)齊，每個(gè)分配的起始地址將是系統(tǒng)高速緩存行大小的倍數(shù)。這種方法防止了許多常見的性能問題，例如未對(duì)齊的訪問和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)共享，其中單個(gè)高速緩存行無意中包含(可能不相關(guān)的)多個(gè)內(nèi)核同時(shí)訪問的數(shù)據(jù)。對(duì)于需要這種對(duì)齊的用例(例如，分配硬件環(huán)結(jié)構(gòu))，也支持任何其他二次冪值 (當(dāng)然> =高速緩存行大小)。

DPDK中的任何內(nèi)存分配也是線程安全的。這意味著在任何CPU核心上發(fā)生的任何分配都是原子的，不會(huì)干擾任何其他分配。這可能看起來很無足輕重 (畢竟，常規(guī)glibc內(nèi)存分配例程通常也是線程安全的)，但是一旦在多處理環(huán)境中考慮，它的重要性就會(huì)變得更加清晰。

DPDK支持特定風(fēng)格的協(xié)同多處理，其中主進(jìn)程管理所有DPDK資源，多個(gè)輔助進(jìn)程可以連接到主進(jìn)程，并共享由主進(jìn)程管理的資源的訪問。

DPDK的共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)不僅通過映射不同進(jìn)程中的相同資源 (類似于shmget () 機(jī)制) 來實(shí)現(xiàn)，還通過復(fù)制另一個(gè)進(jìn)程中主進(jìn)程的地址空間來實(shí)現(xiàn)。因此，由于兩個(gè)進(jìn)程中的所有內(nèi)容都位于相同的地址，指向DPDK內(nèi)存對(duì)象的任何指針都將跨進(jìn)程工作，無需任何地址轉(zhuǎn)換。這對(duì)于跨進(jìn)程傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的性能非常重要。

表1. 操作系統(tǒng)和DPDK分配器的比較

內(nèi)存池

DPDK也有一個(gè)內(nèi)存池管理器，在整個(gè)DPDK中廣泛用于管理大型對(duì)象池，對(duì)象大小固定。它的用途很多——包輸入/輸出、加密操作、事件調(diào)度和許多其他需要快速分配或解除分配固定大小緩沖區(qū)的用例。DPDK內(nèi)存池針對(duì)性能進(jìn)行了高度優(yōu)化，并支持可選的線程安全(如果用戶不需要線程安全，則無需為之付費(fèi))和批量操作，所有這些都會(huì)導(dǎo)致每個(gè)緩沖區(qū)的分配或空閑操作周期計(jì)數(shù)達(dá)到兩位數(shù)以下。

也就是說，即使DPDK內(nèi)存池的主題出現(xiàn)在幾乎所有關(guān)于DPDK內(nèi)存管理的討論中，從技術(shù)上講，內(nèi)存池管理器是一個(gè)建立在常規(guī)DPDK內(nèi)存分配器之上的庫。它不是標(biāo)準(zhǔn)DPDK內(nèi)存分配工具的一部分，它的內(nèi)部工作與DPDK內(nèi)存管理例程完全分離 (并且非常不同) 。因此，這超出了本系列文章的范圍。但是，有關(guān)DPDK內(nèi)存池管理器庫的更多信息可以在DPDK文檔中找到。

結(jié)論

本文介紹了構(gòu)成DPDK內(nèi)存管理子系統(tǒng)基礎(chǔ)的許多核心原理，并證明了DPDK的高性能并不是偶然，而是其體系架構(gòu)的必然結(jié)果。

本系列接下來的文章將深入探討IOVA尋址及其在DPDK中的使用；以歷史的視角，回顧DPDK長期支持（LTS）版本17.11及更早版本中提供的內(nèi)存管理功能；同時(shí)也會(huì)介紹18.11及更高版本DPDK版本中做出的更改和提供的新功能。

文章轉(zhuǎn)載自DPDK與SPDK開源社區(qū)

原文標(biāo)題：DPDK內(nèi)存篇（一）: 基本概念

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責(zé)任編輯：haq