филировал задержку TCP (в частности,write из пространства пользователя в пространство ядра небольшого сообщения), чтобы получить некоторую интуицию для задержкиwrite (признавая, что это может зависеть от контекста). Я заметил существенное несоответствие между тестами, которые мне кажутся похожими, и мне очень любопытно выяснить, откуда взялась разница. Я понимаю, что микробенчмарки могут быть проблематичными, но я все еще чувствую, что мне не хватает некоторого фундаментального понимания (так как различия в задержке составляют ~ 10x).

Настройка заключается в том, что у меня есть C ++ TCP-сервер, который принимает одно клиентское соединение (от другого процесса на том же процессоре), и при соединении с клиентом делает 20 системных вызовов дляwrite в сокет, отправляя один байт за раз. Полный код сервера скопирован в конце этого поста. Вот результат, который каждый разwrite с помощьюboost/timer (который добавляет шум ~ 1 микрофон):

$ clang++ -std=c++11 -stdlib=libc++ tcpServerStove.cpp -O3; ./a.out
18 mics
3 mics
3 mics
4 mics
3 mics
3 mics
4 mics
3 mics
5 mics
3 mics
...

Я достоверно считаю, что первымwrite значительно медленнее, чем другие. Если я заверну 10000write звонки в таймере, в среднем 2 микросекунды вwriteТем не менее, первый звонок всегда 15+ микрофонов. Почему это явление «разогрева»?

Кроме того, я провел эксперимент, где между каждымwrite вызов я делаю некоторые блокировку работы процессора (вычисление большого простого числа). Это вызываетвсе write звонки должны быть медленными:

$ clang++ -std=c++11 -stdlib=libc++ tcpServerStove.cpp -O3; ./a.out
20 mics
23 mics
23 mics
30 mics
23 mics
21 mics
21 mics
22 mics
22 mics
...

Учитывая эти результаты, мне интересно, есть ли какая-то пакетная обработка, которая происходит в процессе копирования байтов из пользовательского буфера в буфер ядра. Если несколькоwrite вызовы происходят в быстрой последовательности, они объединяются в одно прерывание ядра?

В частности я ищу некоторое представление о том, как долгоwrite требуется скопировать буферы из пространства пользователя в пространство ядра. Если есть некоторый коалесцирующий эффект, который позволяет среднемуwrite брать только 2 микрофона, когда я делаю 10 000 подряд, тогда было бы несправедливо полагать, чтоwrite латентность 2 микрофона; кажется, что моя интуиция должна заключаться в том, что каждыйwrite занимает 20 микросекунд. Это кажется удивительно медленным для самой низкой задержки, которую вы можете получить (необработанныйwrite вызов на один байт) без обхода ядра.

Последний фрагмент данных состоит в том, что, когда я настраиваю тест пинг-понга между двумя процессами на моем компьютере (TCP-сервер и TCP-клиент), я в среднем получаю 6 микрофонов за цикл туда и обратно (который включает в себяread,write, а также перемещение по локальной сети). Это, кажется, расходится с задержками в 20 микрофонов для одной записи, показанной выше.

Полный код для TCP-сервера:

// Server side C/C++ program to demonstrate Socket programming
// #include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <string.h>
#include <boost/timer.hpp>
#include <unistd.h>

// Set up some blocking work.
bool isPrime(int n) {
    if (n < 2) {
        return false;
    }

    for (int i = 2; i < n; i++) {
        if (n % i == 0) {
            return false;
        }
    }

    return true;
}

// Compute the nth largest prime. Takes ~1 sec for n = 10,000
int getPrime(int n) {
    int numPrimes = 0;
    int i = 0;
    while (true) {
        if (isPrime(i)) {
            numPrimes++;
            if (numPrimes >= n) {
                return i;
            }
        }
        i++;
    }
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int server_fd, new_socket, valread;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);

    // Create socket for TCP server
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // Prevent writes from being batched
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, TCP_NODELAY, &opt, sizeof(opt));
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, TCP_NOPUSH, &opt, sizeof(opt));
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &opt, sizeof(opt));
    setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_SNDLOWAT, &opt, sizeof(opt));

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));

    listen(server_fd, 3);

    // Accept one client connection
    new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);

    char sendBuffer[1] = {0};
    int primes[20] = {0};
    // Make 20 sequential writes to kernel buffer.
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        sendBuffer[0] = i;
        boost::timer t;
        write(new_socket, sendBuffer, 1);
        printf("%d mics\n", int(1e6 * t.elapsed()));

        // For some reason, doing some blocking work between the writes
        // The following work slows down the writes by a factor of 10.
        // primes[i] = getPrime(10000 + i);
    }

    // Print a prime to make sure the compiler doesn't optimize
    // away the computations.
    printf("prime: %d\n", primes[8]);

}

TCP-код клиента:

// Server side C/C++ program to demonstrate Socket programming
// #include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sock, valread;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);

    // We'll be passing uint32's back and forth
    unsigned char recv_buffer[1024] = {0};

    // Create socket for TCP server
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, TCP_NODELAY, &opt, sizeof(opt));

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    // Accept one client connection
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t)addrlen) != 0) {
        throw("connect failed");
    }

    read(sock, buffer_pointer, num_left);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", recv_buffer[i]);
    }
}

Я пробовал с и без флаговTCP_NODELAY, TCP_NOPUSH, SO_SNDBUF а такжеSO_SNDLOWATс мыслью, что это может предотвратить пакетирование (но я понимаю, что этот пакет происходит между буфером ядра и сетью, а не между буфером пользователя и буфером ядра).

Вот код сервера для теста пинг-понга:

// Server side C/C++ program to demonstrate Socket programming
// #include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <string.h>
#include <boost/timer.hpp>
#include <unistd.h>

 __inline__ uint64_t rdtsc(void)
   {
uint32_t lo, hi;
__asm__ __volatile__ (
        "xorl %%eax,%%eax \n        cpuid"
        ::: "%rax", "%rbx", "%rcx", "%rdx");
__asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a" (lo), "=d" (hi));
return (uint64_t)hi << 32 | lo;
 }

// Big Endian (network order)
unsigned int fromBytes(unsigned char b[4]) {
    return b[3] | b[2]<<8 | b[1]<<16 | b[0]<<24;
}

void toBytes(unsigned int x, unsigned char (&b)[4]) {
    b[3] = x;
    b[2] = x>>8;
    b[1] = x>>16;
    b[0] = x>>24;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int server_fd, new_socket, valread;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);
    unsigned char recv_buffer[4] = {0};
    unsigned char send_buffer[4] = {0};

    // Create socket for TCP server
    server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    bind(server_fd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));

    listen(server_fd, 3);

    // Accept one client connection
    new_socket = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t*)&addrlen);
    printf("Connected with client!\n");

    int counter = 0;
    unsigned int x = 0;
    auto start = rdtsc();
    boost::timer t;

    int n = 10000;
    while (counter < n) {
        valread = read(new_socket, recv_buffer, 4);
        x = fromBytes(recv_buffer);
        toBytes(x+1, send_buffer);
        write(new_socket, send_buffer, 4);
        ++counter;
    }

    printf("%f clock cycles per round trip (rdtsc)\n",  (rdtsc() - start) / double(n));
    printf("%f mics per round trip (boost timer)\n", 1e6 * t.elapsed() / n);
}

Вот код клиента для теста пинг-понга:

// #include <iostream>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/socket.h>
#include <stdlib.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <string.h>
#include <boost/timer.hpp>
#include <unistd.h>

// Big Endian (network order)
unsigned int fromBytes(unsigned char b[4]) {
    return b[3] | b[2]<<8 | b[1]<<16 | b[0]<<24;
}

void toBytes(unsigned int x, unsigned char (&b)[4]) {
    b[3] = x;
    b[2] = x>>8;
    b[1] = x>>16;
    b[0] = x>>24;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    int sock, valread;
    struct sockaddr_in address;
    int opt = 1;
    int addrlen = sizeof(address);

    // We'll be passing uint32's back and forth
    unsigned char recv_buffer[4] = {0};
    unsigned char send_buffer[4] = {0};

    // Create socket for TCP server
    sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    // Set TCP_NODELAY so that writes won't be batched
    setsockopt(sock, SOL_SOCKET, TCP_NODELAY, &opt, sizeof(opt));

    address.sin_family = AF_INET;
    address.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    address.sin_port = htons(8080);

    // Accept one client connection
    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&address, (socklen_t)addrlen) != 0) {
        throw("connect failed");
    }

    unsigned int lastReceived = 0;
    while (true) {
        toBytes(++lastReceived, send_buffer);
        write(sock, send_buffer, 4);
        valread = read(sock, recv_buffer, 4);
        lastReceived = fromBytes(recv_buffer);
    }
}