在MacOS X上提高mmap/munmap性能

Question

在MacOS X机器上运行以下C代码（对2GB文件进行一系列的mmaps和munmaps操作）似乎比Linux机器慢得多。

#define BUFSZ 2000000000
static u_char buf[BUFSZ];
....

// Time 10000 mmaps and munmaps from random offsets for various 
// sizes of mapped chunk.
for (msize = 4096; msize <= 1048576; msize *= 16) {
  fd = open("io_benchmark.dat", O_RDONLY);
  if (fd  < 0 ) die("can't open io_benchmark.dat for reading");
  for (i = 0; i < 10000; i++) {
    // Make sure the block to be mapped doesn't start in the
    // last meg.
    offset = (size_t) random() % (BUFSZ - 1048576);
    mblock = femmap(fd, (off_t)offset, (size_t) msize, PROT_READ, 
                    "test block");
    total = 0;
    for (j = 0; j < msize; j++) {
      total += mblock[j];
    }
    femunmap(mblock, (size_t) msize, "test block");
  }
  printf("Elapsed time to mmap and munmap 10000 blocks of %d kB: %.4f sec\n", 
         msize/1024, (time = time_since_last_call()));

  rslt = close(fd);
  if (fd  < 0 ) die("can't close io_benchmark.dat after reading");
}

具体来说，比较两台机器。

CPU     Xeon E3113 dual core @ 3.00GHz           Core 2 Duo @ 2.4GHz dual core
RAM     8GB                                      4GB
Kernel  2.6.18-92.el5PAE SMP i686                MacOS 10.6.4 Snow Leopard
Disk    WD 250GB SATA 16MB cache 7200 RPM EXT3   Hitachi 250GB SATA 5400 RPM, journaled HFS+

提供以下结果。

                            Linux    MacOS X
Time for 10000 4kB mmaps    0.0165   682.87
Time for 10000 64kB mmap    0.0170   657.79
Time for 10000 1MB mmaps    0.0217   633.38

即使考虑到内存减少的情况，由于文件仅占物理内存的一半，这似乎是不寻常的。有人能指出可能改善性能的代码变更或配置变更吗？

我们尝试使用读取而不是mmaps，确实会产生很大的差异，但这需要对现有代码库进行重大更改（并且在linux上mmap比读取快得多）。

- Matt Sheppard

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您的total变量在赋值后没有被使用？它可能会被优化掉，因此您可能没有测量到正确的内容。 - Jens Gustedt

你的大型buf数组从未被使用 - 也许你需要展示一下femmap()和femunmap()函数的定义？一个可编译的示例总是有帮助的。 - caf

在 Mac OS X 上通过 Instruments 运行 Activity Monitor 可能会显示出显著的页面换入换出负载。MacOS X 测试系统的 RAM 太低，无法进行公平比较。 - ctpenrose

Answer 1

我认为你只是没有衡量正确的事情。我检查了你测试的内部部分，并且我的gcc版本能够完全优化掉循环。

这种情况例如当我将mblock指针声明为指向volatile数据的指针时发生变化。然后编译器有义务执行循环语句中的所有副作用，特别是从内存中读取它。

所以您可能从您的测试中得出的唯一结论是:

• 您在MacOS X上使用的编译器不够聪明
• 始终检查基准产生的汇编程序

因此，如果您可以真正重新进行测试，我会对比较两个系统在这方面的实际差异感兴趣。

- Jens Gustedt

Answer 2

看起来这是“按设计要求”的。 根据此https://developer.apple.com/library/content/documentation/FileManagement/Conceptual/FileSystemAdvancedPT/MappingFilesIntoMemory/MappingFilesIntoMemory.html#//apple_ref/doc/uid/TP40010765-CH2-SW1：

以下情况不应使用文件映射：

• 您希望从头到尾仅一次顺序读取文件。

• 文件大小为数百兆字节或更大。（映射大文件会快速填充虚拟内存空间。此外，如果程序运行了一段时间或其内存空间碎片化，则可能没有可用空间。）

对于大型顺序读取操作，最好禁用磁盘缓存并将文件读入小内存缓冲区。有关详细信息，请参见“选择性地缓存文件”。

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以下是演示问题的代码片段：

off_t       file_target = off_t(3) << 29; //  1.5GB
const char* path = "B9361194.data";

//  Touch the output file
{
    FILE*       fp = fopen( path, "a");
    fclose(fp);
}

//  Open the output file
FILE*       fp = fopen( path, "rb+");
int         fd = fileno(fp);
off_t       file_physical = 0;
off_t       file_logical = 0;
ftruncate( fd, file_physical );

//  Declare the mapping
off_t       map_start = 0;
off_t       map_count = 0;
char*       map_address = 0;

//  Set up the input buffer.
//  We are just going to write this out until we have written total bytes
size_t      requested = 1024;
char    input[requested];
for ( size_t i = 0; i < requested; ++i ) input[i] = 1;

//  Write the buffer, resizing and mapping as we go.
while ( file_logical < file_target ) {
    //  Figure out how much to write.
    size_t limit = requested;
    if ( ( file_target - file_logical ) < (off_t)limit ) 
        limit = size_t( file_target - file_logical );

    //  If we can't fit the buffer inside the allocation
    //  unmap and grow everything
    if ( file_logical + (off_t)limit > file_physical ) {
        //  Unmap
        if ( map_address ) munmap( map_address, map_count );

        //  Grow the file by 64K
        off_t   new_physical = off_t(1) << 16;  //  64K allocation
        if ( new_physical < (off_t)limit ) new_physical = limit;
        file_physical += new_physical;
        ftruncate( fd, file_physical );

        //  Map the end
        map_count = off_t(1) << 23;    //  8MB
        if ( map_count > file_physical ) map_count = file_physical;
        map_start = file_physical - map_count;
        void* address = mmap( 0, map_count, ( PROT_WRITE | PROT_READ ), MAP_SHARED, fd, map_start );
        // int err = errno;
        // if ( address == MAP_FAILED ) CPPUNIT_ASSERT_EQUAL_MESSAGE( strerror(err), 0, errno );
        map_address = reinterpret_cast<char*>( address );
    }

    //  Copy the buffer in
    size_t  offset = size_t(file_logical - map_start);
    memcpy( map_address + offset, input, limit );
    file_logical += limit;
}

//  Clean up
if ( map_address ) munmap( map_address, map_count );
ftruncate( fd, file_logical );
fclose( fp );

我不知道他们是否会修复它，也不知道何时会修复。

- Hawkfish

Answer 3

关于 OS X mmap 问题，我的结论是映射整个文件并保持映射。如果需要扩展文件，则映射比所需更多的字节，这样您只需要偶尔重新映射。

您可能需要使用 64 位 OS X 才能使其正常工作。

- Zan Lynx