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谈谈writev的问题

POSIX提供了一个比write函数更加高级的writev,在很多场景下,它相对于write有一定的优势。

APUE一书将writev的介绍放在了Advanced I/O部分,个人拙见,它和write应该是属于同层次的IO,谈不上Advanced。

最近,我在重写HTTP解析器的时候用到了writev,发现它并不如想象中的方便,甚至相当坑,有必要记录一下,或许对大家有所帮助。

使用场景

为什么说writev并不比write高级?抛开具体的实现,它和write只不过是应用场景不同,严格而言,不应该用Advanced加以区分。APUE对于writev的描述也就2页,老套路:函数原型、参数介绍、性能测试,实在看不出所谓的Advanced体现在哪里。

大体而言,write面向的是连续内存块,writev面向的是分散的数据块,两个函数的最终结果都是将内容写入连续的空间。

假设我们需要将N个key-value组合dump到文件中。

key1 = val1
key2 = val2
...
keyN = valN

已知每个pair的空间是单独分配的,那么在这个场景下,如果想要使用write完成任务,有如下2种做法:

  1. 分配一块大空间,将每个pair复制到其中,然后write
  2. 分别write每个pair

在数据量不是太大的情况下,方案1比方案2要高效,应为syscall的开销是很可观的,当每个pair的数据都比较大时,首选方案2。怎么判断这里的临界值?对于磁盘IO,考虑pagesize,这个临界值很可能是N*pagesize(N>=1),当然我没有具体考证。

这个时候,我们就会期望能够有一个函数可以做到:

  1. 一次syscall
  2. 无拷贝

显然,它就是writev了,其函数原型如下:

writev(int fd, struct iovect* iov, int iovcnt);

struct iovec {
    void* iov_base;
    size_t iov_len;
};

iov_base就是每个pair的基址,iov_len则是长度,不用包含“/0”。

APUE中指出writev的固有开销比write大,因此对于小内存的写而言,很可能也没有copy+write高效,具体参考APUE(en) P.522。另外,iovcnt不应超过IOV_MAX,Linux上的IOV_MAX=1024,且iov_len的总和不应溢出,虽然超过限制的情况很少出现,但应该考虑到。

除此之外,另一种比较高效的做法是,分配一大块内存,想办法让所有的pair连续,这样就不需要考虑write了,但是很多情况下你可能根本无法预先获知总长度,例如从socket中读取的数据,为了能够容纳所有的数据,就不得不分配适当大的数据,当不够用的时候再realloc。

如此一来,会造成空间利用率稍低的问题,且realloc很可能带来潜在的内存拷贝开销。

writev的实现

在Linux2.2之前,由于IOV_MAX过于小,glibc会提供一个wrapper function,代码如下:

/* Write data pointed by the buffers described by VECTOR, which
   is a vector of COUNT 'struct iovec's, to file descriptor FD.
   The data is written in the order specified.
   Operates just like 'write' (see <unistd.h>) except that the data
   are taken from VECTOR instead of a contiguous buffer.  */
ssize_t
__writev (int fd, const struct iovec *vector, int count)
{
  /* Find the total number of bytes to be written.  */
  size_t bytes = 0;
  for (int i = 0; i < count; ++i)
    {
      /* Check for ssize_t overflow.  */
      if (SSIZE_MAX - bytes < vector[i].iov_len)
    {
      __set_errno (EINVAL);
      return -1;
    }
      bytes += vector[i].iov_len;
    }

  /* Allocate a temporary buffer to hold the data.  We should normally
     use alloca since it's faster and does not require synchronization
     with other threads.  But we cannot if the amount of memory
     required is too large.  */
  char *buffer;
  char *malloced_buffer __attribute__ ((__cleanup__ (ifree))) = NULL;
  if (__libc_use_alloca (bytes))
    buffer = (char *) __alloca (bytes);
  else
    {
      malloced_buffer = buffer = (char *) malloc (bytes);
      if (buffer == NULL)
    /* XXX I don't know whether it is acceptable to try writing
       the data in chunks.  Probably not so we just fail here.  */
    return -1;
    }

  /* Copy the data into BUFFER.  */
  size_t to_copy = bytes;
  char *bp = buffer;
  for (int i = 0; i < count; ++i)
    {
      size_t copy = MIN (vector[i].iov_len, to_copy);

      bp = __mempcpy ((void *) bp, (void *) vector[i].iov_base, copy);

      to_copy -= copy;
      if (to_copy == 0)
    break;
    }

  ssize_t bytes_written = __write (fd, buffer, bytes);

  return bytes_written;
}
weak_alias (__writev, writev)

大致流程就是:

  1. 计算总长度
  2. 分配空间(栈/堆)
  3. 拷贝数据
  4. 使用write

这么做完全是权宜之计,而内核中的实现则是有点类似分别对内存块write,只不过由于已经位于内核空间,自然没有什么syscall的开销了,也能使用更加直接的方式,比如直接写buf,代码在fs/read_write.c,感兴趣的读者可以挖掘下。

writev的问题

writev的出发点是好的,并且看起来似乎也比较美好,因此很受推崇。

通过这两天的使用情况来看,我个人认为writev在设计上可能存在一定的问题,产生这些问题的具体场景为socket IO,令人遗憾的是,尽管很多人推崇writev,但是google相关内容的时候,资料却少得可怜。。。

对于socket IO而言,write经常不能够一次写完,好在它会返回已经写了多少字节,如果继续写,此时就会阻塞;对于非阻塞socket而言,write会在buf不可写时返回的EAGAIN,那么在下一次write时,便可通过之前返回的值重新确定基址和长度。

manual中对于writev的相关描述为:和write类似。也就是说,它也会返回已经写入的长度或者EAGAIN(errno)。千万不可天真地认为,每次传同样的iovec就能解决问题,writev并不会为你做任何事情,重新处理iovec是调用者的任务。

问题是,这个返回值“实用性”并不高,因为参数传入的是iovec数组,计量单位是iovcnt,而不是字节数,用户依旧需要通过遍历iovec来计算新的基址,另外写入数据的“结束点”可能位于一个iovec的中间某个位置,因此需要调整临界iovec的io_base和io_len。

可以通过如下代码确认:

while (iov_iter_count(iter)) { 
    struct iovec iovec = iov_iter_iovec(iter); 
    ssize_t nr;
    nr = fn(filp, iovec.iov_base, iovec.iov_len, ppos); 

    if (nr < 0) { 
        if (!ret) 
            ret = nr; 
        break;   
    }                    
    ret += nr;                     
    if (nr != iovec.iov_len)       
        break;                             
    iov_iter_advance(iter, nr);                      
}

个人认为这个设计和write并不是一个风格,write使用很方便,writev却很繁琐,难道仅从参数和返回的类型就能确定一套API的风格了?

个人认为下述方案或许更好:

  1. 返回已经写入了多少个iovec,并通过参数返回部分写入的iovec的字节数
  2. 提供offset参数,供指定写入的开始位置

在do_loop_readv_writev中可以直接加入相关逻辑,对于do_iter_readv_writev或许会麻烦点,但是在回调中应该不难解决问题。好吧,说再多也只是纸上谈兵。相信这并不是实现者的问题,而是POSIX在制定接口时就欠缺考虑。

总结

对于磁盘IO,可以放心使用writev,对于socket,尤其是非阻塞socket,还是尽可能避免的好,实现连续的内存块反而可以简化实现。

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