Rapid I/O Toolkit. Alexander Bernauer

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1 Rapid I/O Toolkit Alexander Bernauer

2 Inhalt Motivation Architektur Beispiel I/O Features Ausblick

3 Motivation

4 Problemstellung Vorgaben Datenverarbeitung sehr hohe Last Hardware mit parallelen CPU und I/O Resourcen Ziel maximaler Durchsatz

5 Wie? effiziente Architektur alle Resourcen ständig (sinnvoll) auslasten wenig Overhead durch Verwaltung wenig Synchronisation effiziente Implementierung C++

6 Hürden I/O verursacht blockierende Syscalls Thread wartet CPU läuft leer

7 Fork Modell hoher Verwaltungsaufwand Overhead steigt mit der Last DoS

8 Thread-Pools zu wenig Threads CPU läuft leer zu viele Threads Verwaltungsaufwand beim Umschalten ständig kalte Caches dynamische Poolgröße Verwaltungsaufwand

9 Lösung Ereignisbasierte Architektur I/O wird asynchron gemacht

10 Architektur

11 Paradigma Spezifikation von endlich vielen Zustandsautomaten

12 Paradigma Applikation ist eine Menge von Instanzen von Zustandsmaschinen

13 Partitionierung pro CPU eine Partition pro Partition ein Worker-Thread statische Verteilung der Instanzen

14 Partitionierung Partition 1 Partition 2

15 Übergänge Benutzerdefinierte Handler werden von den Workern ausgeführt müssen reentrant sein dürfen nicht blockieren

16 Laufzeit

17 Laufzeit

18 Vorteile Threads werden nie unterbrochen sehr wenig Synchronisation ein Leser mehrere Schreiber optimiert für Plattform kein manuelles Synchronisieren gleichmäßige, optimal Auslastung der CPUs

19 Nachteile Inversion of Control Bei wenig Last nicht optimal Sehr ungünstiger worst-case möglich Ausrichtung auf parallelisierbare Probleme Partitionsübergreifende Zustände problematisch Probleme mit versteckter Synchronisation Freispeicherverwaltung

20 Beispiel

21 primitiver Zugriffszähler Kommunikation über UDP Eingabe: Session ID Ausgabe: aktueller Zähler

22 Protokoll $ netcat -u count is 1 23 count is 2 42 count is 1 23 count is 3 1 count is 1

23 Zustand struct State { int counter; };

24 Ereignis struct Data { Toolbox::Sockaddr sender; std::string content; };

25 Handler struct Handler { void operator()(data* data, State* state) { state->counter++; // send reply to data->sender } };

26 Schlüssel zu jedem Ereignis gehört ein Schlüssel Wird zur Partitionierung verwendet Jeder Schlüssel gehört zu genau einer Instanz typedef uint8_t SID

27 Ereignis => Schlüssel struct GetKey { SID operator()(data* data) { return Toolbox::fromString<SID> (data->content); } };

28 neue Instanzen struct StateFactory { State* operator()(data*) { return new State(); } };

29 Integration trotz C++ komfortable Notation Integration durch Typdeklarationen

30 Riot::Key typedef Riot::Key<SID> RiotKey; Default ist Gleichverteilung

31 Riot::State typedef Riot::State< State, RiotKey> RiotState;

32 Riot::Data typedef Riot::Data< Data, RiotKey, GetKey> RiotData;

33 Riot::Message typedef Riot::Message< RiotData, RiotState, Handler, StateFactory> RiotMessage;

34 Überblick

35 Ereignis erzeugen RiotMessage::emit( new Data(sender, content) );

36 I/O

37 künstliche Zustände oneventa oneventa action X action X write write_start action Y state = pending state = 2 onwritedone action Y state = 2

38 Implementierung sehr schlechter Support in POSIX eigene blockierende Threads pro I/O-Resource ein Thread Reservierung einer CPU für I/O Threads

39 Eingabe unabhängig von Riot eigener Thread blockierendes Lesen von einem Socket Erzeugen von Riot Nachrichten

40 Ausgabe Verwendung von Riot stellt Thread, Queue und Synchronisation bereit spezielle, blockierende Partition Handler schreibt blockierend auf einen Socket es gibt keine Zustände eigene Nachrichten-Klasse Verwendung der low-level API

41 Riot::Job class Packet : public Riot::Job { public: Result predispatch(); bool postdispatch(); private: Toolbox::Sockaddr saddr; const std::string data; };

42 predispatch Result Packet::preDispatch() { return Riot::Partition( UDP_SEND_PARTITION, true ); }

43 postdispatch bool Packet::postDispatch() { socket.send( data.data(), data.size(), saddr ); return true; }

44 Ereignis absetzen Riot::Scheduler::instance(). addjob( new Packet(saddr, data) );

45 main Riot::init( numberofpartitions, numberofblockingpartitions ); Riot::start();

46 Features

47 Optionen Riot::Key GET_PARTITION HASH EQUAL

48 Optionen Riot::State ADD_HANDLER REMOVE_HANDLER

49 Optionen Riot::Data GET_KEY DESTRUCTOR

50 Optionen Riot::Message STATE_FACTORY AUTO_DESTRUCT

51 Verwaltung von Zuständen RiotState::addState RiotState::removeState Auch über Partitionsgrenzen hinweg RiotState::for_each

52 Thread-local Storage Verwaltung von Zuständen der Partitionen Riot::PartitionState<MyState>::get()

53 Initialisieren Riot::start Riot::Initializer Riot::PartitionInitializer Riot::join

54 Beenden Riot::shutdown Riot::Job::destruct Riot::PartitionFinalizer Riot::Finalizer

55 Timeouts Verzögertes Behandeln von Ereignissen manuelle Invalidieren nötig

56 Ausblick

57 Timeouts automatischen Invalidieren von verzögerten Events

58 Pinning von Threads alle Worker-Threads jeweils auf eine CPU alle I/O Worker gemeinsam auf eine CPU Plattformabhängig

59 Broadcast Nachrichten an alle mit oder ohne Synchronisation

60 Batch Jobs Absetzen von mehreren Ereignisen am Stück nur einmal Synchronisieren

61 Monitoring Statistik über die Auslastung Verbessern der Partitionierung

62 dynamische Partitionierung bei ungleicher Auslastung Umstellung der Partitionierung migrieren von States

63 QoS Priorisierung von Events

64 Riot in den Kernel asynchron ist schnell, synchron ist komfortabel Kernel und Applikationen sollten durchgängig asynchron arbeiten synchrone Abstraktion gehört in die Sprache

65 Verteiltes System eine Partition pro Server Event wird auf entfernten Server übertragen und dort behandelt einfacher Load Balancer

66 Danke

67 logix-tt Ulrich Dangel Alpha- und Beta-Tester, Feature Requests Lars Rohwedder Alpha- und Beta-Tester, Toolbox Rico Schiekel Beta-Tester, Build System Volker Birk initiale Anregung produktiver Einsatz

68 Q&A

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