本文摘要：
采用少量手动修改+自动代码转换的方式，将大型多线程程序改造成协程。在某些重IO、高并发的场景中，帮助业务取得了性能翻倍的效果。
背景
RocksDB是业界知名的可嵌入的、持久化的KV数据库，它使用一套日志结构的存储引擎，为快速而又低延迟的存储设备做了特殊优化处理。RocksDB使用C++编写，2013年开源，其代码风格成熟稳定，测试覆盖率高，项目中还附带了丰富的性能测试工具。可以说，研究RocksDB原理，并学习其工程实践，是每个做存储和底层系统优化的工程师都绕不开的话题。
RocksDB本身是多线程模型，支持并发读写。众所周知，协程相比较于线程，在IO繁重或者并发量大时，有着更轻量且更高效的特性。据测试，在系统负载较高时，一次线程切换的时间最高可达30μs；而使用协程，最低仅需十几个ns，相差了几个数量级。
PhotonLibOS(以下简称Photon)是阿里云存储DADI团队开源的一款高性能协程库和IO引擎，我们曾经拿自己用协程实现的IO程序与fio比较过，以及用协程实现的网络程序与Nginx比较过，都取得了更好的性能。恰逢存储内部的某个业务团队正在使用RocksDB，且网络+存储的整体方案遇到了一些性能瓶颈，于是，我们便开始调研用协程改造RocksDB，这是Photon第一次在大规模的成熟软件上进行嫁接尝试。
协程化改造
先说结论：改造的过程出奇地顺利，没有变更RocksDB的主逻辑，只是手动修改了200多行代码，然后利用一个能够扫描代码并自动转换成协程版本的小脚本，就顺利地完成了编译和运行。
按照业务需求，我们使用的是2019年的RocksDB 6.1.2版本，总共3175个test case。经过测试，Photon协程版本的RocksDB通过了3170个case，成功率达到99.87% 。经过初步分析，失败的5个都是因为涉及到了线程自身的特性，或者test case里显式地认为自身运行在线程环境里，协程版本无法满足因此失败。且这些失败的case不会影响RocksDB的正常运行。
在性能方面，利用自带的db_bench工具，在四种典型的KV读写场景下测试对比了Photon版本RocksDB与原版RocksDB的OPS，两者达到了相近的数据；在某些重IO、高并发的场景下，会比原版的性能更好（见后文）。
Photon库介绍
1. 并发模型
常见的并发模型有：多线程、异步回调、有栈协程、无栈协程。Photon基于有栈协程实现并发。
如下图，Photon没有依据传统惯例将协程命名为coroutine或者fiber，而是仍然将其命名为thread。多个thread运行在一个vcpu里，而这里的vcpu即是大家熟知的OS线程。每个vcpu同一时间只会运行在一个core上，即使vcpu可能发生跨core迁移，但是这些对于协程（thread）来说是感知不到的。
之所以这样命名，是因为Photon一直以来都将协程看做是一种轻量级线程，并且在给协程设计API时，也尽量去兼容了POSIX标准和C++ std的语法，以至于如果不是特别提醒，开发者都会很难判断这是一个多线程程序还是协程程序。这些工作也为后面的RocksDB改造埋下了伏笔，使得我们可以轻易地只用少量代码就实现对一个超大型项目的重构。
在语法上，由于有栈协程不依赖编译器特性（如C++20的async和await），协程的切换点被封装到了IO操作或者事件内部，因此对旧代码侵入性较小。
2. 异步事件引擎
Photon的每个vcpu都包含一个异步事件引擎。所谓事件，其来源可能有以下几个方面：
- 用户代码的显式调用下，某个协程需要让出处理器（yield），并切换到下一个协程执行单元
- 跨vcpu迁移（migrate）或唤醒（interrupt）事件
- 关注的一些fd发生了IO事件
- 定时器到期，等等
由于需要确定协程的调用顺序以及IO的执行时机，因此Photon自身除了是一个协程库，也是一个高性能的事件调度器。它支持多种异步引擎，如epoll、io_uring、kqueue等。在5.x以上的高版本Linux内核上，我们推荐使用io_uring引擎。在适当的时机，调度器会通过io_uring的一次系统调用进行批量的IO提交和收割，这种方式减少了系统调用的数量，从而提升了系统的整体性能。
除了性能以外，普通用户能够感知到的io_uring与epoll的最大变化是，io_uring引擎天然支持异步文件IO。而且经过封装后，它写出来的代码却是同步调用的，不再需要类似libaio的注册与回调，也不需要内存对齐。因此，我们在使用这套IO接口改造RocksDB原先的同步psync IO时没有遇到任何麻烦，只是简单地替换了一下函数名。
3. 同步、锁、和原子操作
在一个并发的系统中，一般有多种方式实现同步。除了POSIX规定的那些经典的互斥锁、信号量之外，有些语言框架会提出自己的同步语义。比如Golang的channel，实际上是贯彻了它的一种哲学，即“不要通过共享内存来通信，而是通过通信来共享内存”。Photon的互斥锁和信号量基本上延续了POSIX的设计，只不过针对协程场景稍稍进行了改造。我们知道，多线程的同步原语一般都是依赖内核提供的Futex功能，Futex最核心的两个syscall分别是FUTEX_WAKE和FUTEX_WAIT。同理，Photon的mutex实现的很像一个用户态的Futex，也需要利用协程的唤醒和睡眠功能，并且通过链表的方式管理任务。
关于原子操作的使用，在线程和协程上基本相同。唯一的不同是，如果业务能够确定某个变量只会被单vcpu内的协程使用，则不需要使用原子变量。因为单vcpu本身就是线程安全的.
4. 改造步骤
下面开始介绍RocksDB改造步骤，主要分为三个方面：
1. 首先将所有的线程、同步原语等标准C++元素查找替换成Photon的协程版本。这里举一个经典的使用条件变量同步的例子：
bool condition = false;
std::mutex mu;
std::condition_variable cv;
new std::thread([&] {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
std::lock_guard<std::mutex> lock(mu);
condition = true;
cv.notify_one();
});
std::unique_lock<std::mutex> lock(mu);
while (!condition) {
cv.wait(lock);
}经过替换后，代码变成如下：
bool condition = false;
photon::std::mutex mu;
photon::std::condition_variable cv;
new photon::std::thread([&] {
photon::std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
photon::std::lock_guard<photon::std::mutex> lock(mu);
condition = true;
cv.notify_one();
});
photon::std::unique_lock<photon::std::mutex> lock(mu);
while (!condition) {
cv.wait(lock);
} 不难看出，规则很简单，即是在所有的std前面添加了photon::前缀。
我们之所以这么设计，是为了最大程度地兼容标准，降低用户对新库的学习成本。研究photon::std::thread的代码可以发现，它其实是一个模板类，支持传入普通全局函数、类的成员函数、lambda等。每次new一个thread，就会产生一个协程在后台运行。我们知道，RocksDB本身内置了一个线程池，用于在后台执行compaction和flush等任务。经过替换后，它也自然变成了一个协程池。
此外，在协程场景下，原先的sleep_for和wait函数都不再会阻塞调用线程，而是会让出CPU，由调度器决定下一个执行的协程，并执行栈切换。
2. 第二步，删除所有线程专属的函数调用，比如类似pthread_setname_np这种给线程改名的函数，或者那些用于变更当前线程在内核的IO优先级的syscall。
3. 最后，将thread_local关键字替换成photon::thread_local_ptr。众所周知，C++11开始引入这个关键字来表示线程局部变量，以便替换原先旧版本编译器的__thread，或者是pthread库提供的specific_key功能。RocksDB重度依赖线程局部变量，每次IO都会查找本线程内缓存的Version数值并进行比较，如果失效了，才会考虑去抢锁或者原子变量，以便获取最新的Version。同理，Photon程序也需要这种局部性的缓存机制，从而每个协程都可以保留一份独立数据。
代码样例：
// 编译器支持的thread_local关键字
thread_local Value value = "123";
// 替换成新的thread_local_ptr模板类
static photon::thread_local_ptr<Value, std::string> value("123");db_bench单机性能测试
为了方便大家验证，我们在github上fork了一份RocksDB的代码，并且往它的6.1.2分支上提了一个Pull Request，包含了上述所说的Photon相关的200多行改动。
详细执行步骤请查阅photon-bench.md文件，值得注意的是，当前协程程序需要显式指定vcpu的数量，默认设置为8。为了公平起见，测试使用了taskset命令，限制多线程程序最大可以使用的core数量也为8。在并发数上，RocksDB的默认值是64，这个数值对于协程和线程来说会保持一致。
测试机器为高配云主机，使用6.x内核，gcc 8编译器。1000万个Key，冷加载。测试时间1分钟，最终数据如下（单位：OPS/s）。
分析可知，当读或者开启同步写时，Photon版与原版的性能基本一致；当关闭同步写时，数据不用即时落盘。由于RocksDB基于LSM的存储引擎可以高效地将随机写转换为顺序写，因此在page cache的参与下，顺序写性能得到极大优化，整个过程转变为CPU密集型任务，协程的特性无法被发挥出来，故性能降低。
此外，CPU密集型场景下新版性能不如原版还有一个重要的原因就是，新版代码只做了语法替换，而没有进行针对性的调优。举个例子来说，原版多线程在某些情况下会使用asm volatile("pause")进行CPU忙等，那么可否在协程场景下修改为协程的sleep？原版中包含一个core_local模块，它在协程场景下应该如何改造，等等。这里受限于篇幅，不一一列举。
杀手锏：协程化的网络数据库
看到这里有人可能会问，既然做单机测试时，协程版本的RocksDB貌似并没有很出彩，那么为什么还要做这些改造工作。其实，协程化的最大价值在于发掘一个基于网络的数据库的最大性能，特别是多连接、高并发的场景下。
长久以来，epoll循环一直是实现一个高性能网络服务器的不二之选。不管是类似Java netty、boost asio的异步回调方案，还是类似Golang的协程方案，留给开发者的问题一直是如何在少量的线程里实现高并发的IO。回到RocksDB的场景下，它本身对多线程很友好，但嵌入到网络服务器之后，就不得不引入线程池技术来分发和维护数据读写请求。一边是异步多路复用系统，一边是同步系统，中间的连接器反而容易成为性能瓶颈。
另一方面，由于RocksDB默认开启了group commit技术，在并发场景下会将多个请求合并成一次IO，因此并发数越高，性能将会越好。协程可轻松支持百万并发，而线程的高并发往往会伴随着严重的竞争。
我们针对业务团队的需求，将RocksDB嵌入在一个RPC server内，使用较小的KV size，较小的key的总数，同时增大客户端的并发数到1000。准备了两个方案用于测试，分别是：
- RPC server + 线程池 + 原版RocksDB
- RPC server + 协程版RocksDB
结果如下（单位：OPS/s）
在这个测试中，为了对多线程更友好一些，我们甚至放开了taskset的限制，让多线程程序可以最多使用到64个物理CPU core。然而随着线程数的增长，线程池方案逐渐遇到了瓶颈。反观协程方案，仅仅使用了8个线程（vcpu），就达到了前者两倍的性能。
总结
我们通过引入Photon库，花费少量代码，成功地将一个大规模的数据库软件改造成协程。一方面验证了协程在重IO、高并发场景下的理论优势，另一方面也检验了Photon自身的成熟度，输出了DADI技术在存储加速领域的最佳实践。
需要声明的是，由于我们本身并不是RocksDB的专家，对其的改造仅停留在语法层面。我们相信运行在协程上之后，RocksDB的内部逻辑和调优手段还会存在一些需要调整的地方，以便适应协程、线程、CPU core的三级模型，最大化地增加cache命中率，降低资源争抢概率，解决目前协程版本RocksDB在CPU密集型任务下性能没有完全发挥出来的问题。关于这些工作，就需要后续再慢慢研究了。
最后补充一句，PhotonLibOS的开源地址是 https://github.com/alibaba/PhotonLibOS 。如果大家对C++协程及高性能IO感兴趣，欢迎前来试用。
