CN113448897A - 适用于纯用户态远端直接内存访问的数组结构及优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于纯用户态远端直接内存访问的数组结构及优化方法，先在本地机器上分配连续的内存空间来存储多个内存指针，该指针根据使用场景不同，可以指向本地内存地址和远端服务器内存地址。在使用迭代器访问数据结构的时候，通过网络将对应的远端内存数据拷贝到本地内存以供读写。在访问结束后，通过网络将本地更新数据写回远端服务器。与现有技术相比，本发明具有低网络时延、纯用户态、抽象简单易用等特点，并且采用远端直接内存访问技术，可以绕过内存服务器中央处理器进行网络请求读写，不会增加额外的操作系统内核开销，具有良好的扩展性。

Description

适用于纯用户态远端直接内存访问的数组结构及优化方法
技术领域
本发明涉及计算机领域，具体地，涉及一种适用于纯用户态远端直接内存访问技术的数组优化方法。
背景技术
在扩展计算机服务器内存方案中，利用远端服务器内存扩充本地服务器内存是其中重要技术之一。获取使用远端内存是一种将分布式系统主机的内存通过网络供其他机器访问的技术；特别的，主机的网卡可以绕过处理器直接对其内存进行读写。目前，便于远端内存获取的网络技术已经在现代数据中心广泛应用：如远端直接内存访问(RDMA)和华为Huawei CurreNET等。
为了方便上层系统(和应用)获取远端内存，学术界与工业界已经提出了一系列相关技术；这些技术关注于提供合适的抽象来为上层应用隐藏掉新的网络使用和新的网络内存语义接口。在简化上层利用Far memory的同时，他们也关注于如何提高上层获取远端内存的性能利用率。
目前，一种获取远端内存的方式是，在内核态修改和扩展操作系统现有的抽象。如利用RDMA网络提供远端内存的文件系统抽象，或者利用RDMA网络将远端内存作为操作系统内存交换的设备。这类方案虽然可以透明地支持海量上层应用，使得应用程序无需任何修改就可以利用新的网络链路。然而缺点是，在内核态使用远端内存会带来巨大的内核抽象开销，因为目前操作系统的内核抽象并不是针对远端内存所设计的。
为了避免操作系统内核抽象开销，另一种获取使用远端内存的方式是将其封装成用户态数据结构库供上层应用使用。这种方案的优点是减少了额外的操作系统开销，作为数据结构提供了很多天然的语义便利。如可以根据数据结构迭代器遍历设定，在语义层面对数据做预读取优化，降低数据读取的时延；根据数据在数据结构中的分布情况，将网络请求根据数据语义聚合在一起，批量发送。缺点是已有的解决方案采用的是速度较慢且需要主机处理器配合的网络链接，上层应用需要修改大量代码来使用该数据结构库，这给开发人员带来了额外的开发难度。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于纯用户态远端直接内存访问的数组结构及优化方法。
根据本发明提供的一种适用于纯用户态远端直接内存访问的数组结构，包括本地机器上分配的来存储多个内存指针的连续内存空间，所述内存指针根据使用场景不同，指向本地内存地址和远端服务器内存地址；
在使用迭代器访问数据结构时，通过RDMA网络将对应的远端内存数据拷贝到本地内存以供读写；
在访问结束后，通过RDMA网络将本地更新数据写回远端服务器。
根据本发明提供的一种适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，包括如下步骤：
数据读写步骤：客户端根据数据结构索引，期望读写指定数据；
索引计算步骤：客户端数据结构库计算获得索引对应的数据结构内存指针；
内存指针判断步骤：判断当前内存指针是否为上次访问的内存指针，如果判断结果为是，则执行偏移量计算步骤；如果判断结果为否，则执行数据写回步骤；
数据写回步骤：通过RDMA写请求将上次访问的内存指针在本地内存中的数据，写回远端服务器内存中；
空间释放步骤：释放上次访问的内存指针在本地的内存空间，为当前内存指针分配本地内存空间；
新指针判断步骤：判断当前内存指针是否为全新指针，如果是新指针，执行偏移量计算步骤；如果不是，执行远端数据写入步骤；
远端数据写入步骤：通过RDMA读请求将当前内存指针的远端数据写入本地内存；
偏移量计算步骤：根据数据结构索引，进一步计算在当前内存指针中的偏移量，对该地址数据进行读写。
优选地，数据读写步骤中，数组访问索引由上层应用调用本数据结构库接口时传入的参数。
优选地，索引计算步骤中，数据结构库用索引对单个内存指针指向区域大小取余数，可获得对应的内存指针。
优选地，内存指针判断步骤中，数据结构库中记录了上次访问的内存指针。
优选地，数据写回步骤中，上次访问的内存指针分别存储了服务器远端内存地址和本地内存地址，根据这两个地址和数据结构限定的内存指针指向区域大小，构造RDMA写请求。
优选地，空间释放步骤中，根据上次访问的内存指针中本地内存地址来释放本地内存，根据数据结构限定的内存指针指向区域大小计算获得当前内存指针所需内存大小。
优选地，新指针判断步骤中，新指针为数据结构扩容时产生的本地新内存指针。
优选地，远端数据写入步骤中，当前访问的内存指针存储了服务器远端内存地址，加上空间释放步骤中分配的本地内存空间，构造RDMA读请求。
优选地，偏移量计算步骤中，数据结构库用索引对单个内存指针指向区域大小取模，计算出在当前内存指针中的偏移量。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
一种适用于高速的、主机处理器不需要配合的用户态数据结构，使得上层应用/系统可以在尽可能少的修改已有项目代码基础上，高性能地获取使用远端内存。
1、本发明获取使用远端内存的数据结构库为纯用户态抽象，同时由于使用的是可以绕开服务器CPU的网络技术RDMA，所以不会有操作系统层面的额外开销，网络时延更低。
2、本发明在内存服务器上采用多端连续内存按照内存指针相连的方式，使得数组扩容时不使用传统的复制拷贝，从而减少扩容时的时间开销。
3、本发明在客户端上利用连续空间存储多个内存指针，便于本地内存根据使用情况缓存部分数据，而不需要额外的语言运行时来管理内存垃圾回收。
4、本发明每个内存指针指向区域存储多个对象数据的设计，一方面有利于数据结构库根据访问顺序预获取即将可能访问的数据。另一方面，一次RDMA请求可以批量读写多个对象数据，减少网络传输的开销。
5、本发明为使用该远端内存的数据结构库的开发人员，提供类似标准数据结构库的接口，已有项目代码改动少，降低开发人员学习成本和项目额外的开发难度。
6、本发明具有低网络时延、纯用户态、抽象简单易用等特点，并且采用远端直接内存访问技术，可以绕过内存服务器中央处理器进行网络请求读写，不会增加额外的操作系统内核开销，具有良好的扩展性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的数组数据结构读写数据流程图；
图2为本发明的硬件环境结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种适用于纯用户态远端直接内存访问技术(RDMA)的优化数组数据结构，包括客户端、内存服务器和RDMA网络，所述的客户端包括连续存储的内存指针、在DRAM上缓存部分数据的RDMA注册内存和RDMA网络支持，所述的内存服务器包括在DRAM上存储所有数据的RDMA注册内存和RDMA网络支持。所述的RDMA网络包括支持RDMA的网络协议和支持该协议的网卡和交换机，如Infiniband(IB)、RDMA过融合以太网(RoCE)等。本发明数据结构先在本地机器上分配连续的内存空间来存储多个内存指针，该指针根据使用场景不同，可以指向本地内存地址和远端服务器内存地址。然后通过远端内存分配赋予内存指针远端服务器内存空间。在使用迭代器访问数据结构的时候，在本地内存区域分配需要的内存大小，并拷贝对应远端地址中的数据到本地以供读写。最后在访问结束后，通过RDMA将内存指针本地地址对应的数据写回远端地址中。所述的同步控制包括以下步骤：
(1)客户端根据数据结构索引，期望读写指定数据。
(2)客户端数据结构库计算获得索引对应的数据结构内存指针。
(3)判断当前内存指针是否为上次访问的内存指针，如果是，执行步骤(8)；如果不是，执行步骤(4)
(4)通过RDMA写请求将上次访问的内存指针在本地内存中的数据，写回远端服务器内存中。
(5)释放上次访问的内存指针在本地的内存空间，为当前内存指针分配本地内存空间。
(6)判断当前内存指针是否为全新指针，如果是新指针，执行步骤(8)；如果不是，执行步骤(7)
(7)通过RDMA读请求将当前内存指针的远端数据写入本地内存。
(8)根据数据结构索引，进一步计算在当前内存指针中的偏移量，即可对该地址数据进行读写。
进一步的，所述的步骤(1)中数组访问索引由上层应用调用本数据结构库接口时传入的参数。所述的步骤(2)中数据结构库用索引对单个内存指针指向区域大小取余数，即可获得对应的内存指针。所述的步骤(3)中数据结构库中记录了上次访问的内存指针。所述的步骤(4)中上次访问的内存指针分别存储了服务器远端内存地址和本地内存地址，根据这两个地址和数据结构限定的内存指针指向区域大小，即可构造RDMA写请求。所述的步骤(5)中根据上次访问的内存指针中本地内存地址来释放本地内存，根据数据结构限定的内存指针指向区域大小计算获得当前内存指针所需内存大小。所述的步骤(6)中新指针为数据结构扩容时产生的本地新内存指针。所述的步骤(7)中当前访问的内存指针存储了服务器远端内存地址，再加上步骤(5)中分配的本地内存空间，即可构造RDMA读请求。所述的步骤(8)中数据结构库用索引对单个内存指针指向区域大小取模，即可算出在当前内存指针中的偏移量。
进一步具体说明，本发明给出对数组中特定索引位置数据进行读写的具体流程，展现该数据结构库如何获取和使用远端内存。下面以访问数组索引100、单个内存指针指向8个对象数据为例，结合图1对以下数组特定数据读写进行详细描述：
在步骤(1)中，客户端应用调用数据结构库接口，传入参数数组索引为100，期望读写数组中第100个数据，然后执行步骤(2)。
在步骤(2)中，客户端数据结构库用索引100除以单个内存指针存储大小8并向上取整，即可获得第100个数据位于第13个内存指针所指区域内。优选地，若新增数据使得数组大小超过数组容量，如数组容量为128时，新增第129个数据，则在本地新创建第65个内存指针，并为其分配远端服务器内存空间。接下来执行步骤(3)。
在步骤(3)中，将当前访问的指针与上次访问的指针做对比，若上次访问的指针与当前指针相同，则跳到步骤(8)执行；若上次访问的指针与当前内存指针不同，如上次访问第1个内存指针，则执行步骤(4)。
在步骤(4)中，为了将对上次访问的内存指针所指区域数据造成的修改同步回远端服务器，数据结构库根据指针内存储的服务器远端内存地址和本地内存缓存地址，再加上限定的内存指针指向区域大小8乘以每个对象字节数，构造RDMA写请求将数据同步回远端服务器，接下来执行步骤(5)。
在步骤(5)中，释放上次访问的内存指针在本地的内存空间，并为当前内存指针分配本地内存空间，空间大小为内存指针指向区域大小8乘以每个对象字节数，接下来执行步骤(6)。
在步骤(6)中，判断当前内存指针是否为数组数据结构扩容时新创建的全新内存指针，即该指针并未在服务器上存储有意义数据。如果该指针为全新内存指针，则跳到步骤(8)执行；如果不是全新指针，即该内存指针已经在服务器上存储了有意义的对象数据，则接下来执行步骤(7)。
在步骤(7)中，为了获取当前访问指针以往存储的数据，数据结构库根据指针内存储的服务器远端内存地址和本地内存缓存地址，再加上限定的内存指针指向区域大小8乘以每个对象字节数，构造RDMA读请求将数据同步到本地内存，接下来执行步骤(8)。
在步骤(8)中，客户端数据结构库用索引100对单个内存指针存储大小8取模，即可计算获得在当前访问指针中的偏移量为4，之后可以对偏移后本地内存地址进行读写操作。
如图2所示，本发明提出了一种针对远端直接内存访问(RDMA)技术优化后的数据结构数组，实现了在用户态、无需服务器CPU参与的远端内存获取和使用。本发明由客户端、内存服务器和RDMA网络组成，作为客户端的机器包括连续存储的内存指针，它同时指向了在本地DRAM上注册的RDMA内存中缓存的部分数据，还指向了远端服务器上RDMA注册内存中的数据地址。内存服务器包括在DRAM上存储所有数据的RDMA注册内存，并RDMA的网络协议和支持该协议的网卡和交换机等待客户端进行访问，在此过程中，由于RDMA技术的特性，内存服务器CPU完全无需参与数据的读写，仅客户端单边CPU即可完成读写操作。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于纯用户态远端直接内存访问的数组结构，其特征在于，包括本地机器上分配的来存储多个内存指针的连续内存空间，所述内存指针根据使用场景不同，指向本地内存地址和远端服务器内存地址；
在使用迭代器访问数据结构时，通过RDMA网络将对应的远端内存数据拷贝到本地内存以供读写；
在访问结束后，通过RDMA网络将本地更新数据写回远端服务器。
2.一种适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
数据读写步骤：客户端根据数据结构索引，期望读写指定数据；
索引计算步骤：客户端数据结构库计算获得索引对应的数据结构内存指针；
内存指针判断步骤：判断当前内存指针是否为上次访问的内存指针，如果判断结果为是，则执行偏移量计算步骤；如果判断结果为否，则执行数据写回步骤；
数据写回步骤：通过RDMA写请求将上次访问的内存指针在本地内存中的数据，写回远端服务器内存中；
空间释放步骤：释放上次访问的内存指针在本地的内存空间，为当前内存指针分配本地内存空间；
新指针判断步骤：判断当前内存指针是否为全新指针，如果是新指针，执行偏移量计算步骤；如果不是，执行远端数据写入步骤；
远端数据写入步骤：通过RDMA读请求将当前内存指针的远端数据写入本地内存；
偏移量计算步骤：根据数据结构索引，进一步计算在当前内存指针中的偏移量，对该地址数据进行读写。
3.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，数据读写步骤中，数组访问索引由上层应用调用本数据结构库接口时传入的参数。
4.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，索引计算步骤中，数据结构库用索引对单个内存指针指向区域大小取余数，可获得对应的内存指针。
5.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，内存指针判断步骤中，数据结构库中记录了上次访问的内存指针。
6.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，数据写回步骤中，上次访问的内存指针分别存储了服务器远端内存地址和本地内存地址，根据这两个地址和数据结构限定的内存指针指向区域大小，构造RDMA写请求。
7.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，空间释放步骤中，根据上次访问的内存指针中本地内存地址来释放本地内存，根据数据结构限定的内存指针指向区域大小计算获得当前内存指针所需内存大小。
8.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，新指针判断步骤中，新指针为数据结构扩容时产生的本地新内存指针。
9.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，远端数据写入步骤中，当前访问的内存指针存储了服务器远端内存地址，加上空间释放步骤中分配的本地内存空间，构造RDMA读请求。
10.根据权利要求2所述的适用于纯用户态远端直接内存访问的数组优化方法，其特征在于，偏移量计算步骤中，数据结构库用索引对单个内存指针指向区域大小取模，计算出在当前内存指针中的偏移量。
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