F-Stack LD_PRELOAD 测试版介绍

跳票许久许久的LD_PRELOAD功能模块（后续以 libff_syscall.so 代替）在 F-Stack dev 分支的 adapter/sysctall 目录下已经提交，支持 hook 系统内核 socket 相关接口的代码，降低已有应用迁移到 F-Stack 的门槛。下面将分进行具体介绍， 主要包括libff_syscall.so 相关的架构涉及其中的一些思考，支持的几种模式以及如何使用等内容。

总体结论：

• 原有应用程序的接入门槛比原本的 F-Stack 有所降低，大部分情况下可以不修改原有的用户应用程序和 F-Stack lib 的代码，而是仅修改libff_syscall.so相关代码即可适配。
• 可以支持多 F-Stack 实例（即原 F-Stack 应用程序进程），每个 F-Stack 实例可以对应 1 个或多个用户应用程序。
  • 为了达到最佳的性能，建议一个用户应用程序（进程或线程）对应一个 fstack 实例应用程序，即为一组应用实例。
• 每组应用实例的性能能会略高于系统内核的性能，与单个原始 F-Stack 应用进程互有高低；单机整体的性能相比系统内核仍有较大的优势，但与原始 F-Stack 仍有差距。
  • 新的每组应用实例需要运行在两个 CPU 核心上，而原始 F-Stack 应用进程只需要运行在一个 CPU 核心上，总体而言性价比不高，是否使用可以视各业务的具体情况而定。
  • Nginx 600 字节的 body 内存应答测试中，长连接中相同数量的新应用实例组略高于原始 F-Stack 应用进程，短连接中相同数量的新应用实例组则略低于原始 F-Stack 应用进程，见 Nginx 接入介绍章节，但使用的 CPU 几乎翻倍。

【注意】目前 libff_syscall.so 功能尚不完善，仅供测试使用，欢迎所有的开发者一起进行完善。

libff_syscall.so 的编译

先设置好FF_PATH和PKG_CONFIG_PATH环境变量

export FF_PATH=/data/f-stack
export PKG_CONFIG_PATH=/usr/lib64/pkgconfig:/usr/local/lib64/pkgconfig:/usr/lib/pkgconfig

在adapter/sysctall目录下直接编译即可得到ibff_syscall.so的相关功能组件

cd /data/f-stack/adapter/sysctall
make clean;make all

ls -lrt
fstack
libff_syscall.so
helloworld_stack
helloworld_stack_thread_socket
helloworld_stack_epoll
helloworld_stack_epoll_thread_socket
helloworld_stack_epoll_kernel

下面将分别进行介绍各个组件的主要作用

fstack 实例应用程序

fstack 应用程序对标的是标准版 F-Stack 中的应用程序，其运行与普通的 F-Stack 应用程序完全相同，包括配置文件及其多进程（每进程即为一个实例）的运行方式等。

fstack 应用程序的作用主要是底层对接 F-Stack API，其主函数ff_handle_each_context即为普通 F-Stack 应用的用户层 loop 函数，非空闲时或每间隔 100us (受 HZ参数影响) 时会调用该函数去循环处理与 APP 对接的上下文，如果 APP 有对应的 API 请求，则调用实际的 F-Stack API 进行处理。

与 libff_syscall.so用户应用进程间通信使用 DPDK 的 rte_malloc 分配的 Hugepage 共享内存进行。

该函数对 libff_syscall.so 的整体性能有至关重要的影响，目前是复用了 F-Stack 主配置文件（config.ini）中的 pkt_tx_dalay参数，死循环并延迟该参数指定的值后才会回到 F-Stack 的其他处理流程中。

如果想提高 libff_syscall.so的整体性能，那么fstack实例应用程序与 APP 应用程序的匹配十分重要，只有当一个ff_handle_each_context循环中尽量匹配一次循环的所有事件时才能达到最优的性能，这里需要调十分精细的调优，但是目前还是粗略的使用 pkt_tx_dalay参数值。

【提示】pkt_tx_dalay参数的默认值为 100us， 较适合长连接的场景。如果是 Nginx 短链接的场景，则应考虑设置为 50us，可以可获得更好的性能。当然不同的用用场景如果想达到最优的性能，可能需要业务自行调整及测试。复用该参数也只是临时方案，后续如果有更优的方案，则随时可能进行调整。

libff_syscall.so

该动态库主要作用是劫持系统的 socket 相关接口，根据 fd 参数判断是调用 F-Stack的相关接口（通过上下文 sc 与 fsack 实例应用程序交互）还是系统内核的相关接口。

与fstack实例应用进程间通信使用 DPDK 的 rte_malloc 分配的 Hugepage 共享内存进行。

【注意】在第一次调用相关接口时分配相关内存，不再释放，进程退出时存在内存泄漏的问题，待修复。

F-Stack用户的应用程序 （如 helloworl 或 Nginx）设置 LD_PRELOAD劫持系统的 socket 相关 API 时使用，即可直接接入 F-Stack 开发框架，可以参考如下命令：

export LD_PRELOAD=/data/f-stack/adapter/syscall/libff_syscall.so

当然如果是改造用户的 APP 使用 kqueue代替 Linux 的 epoll 相关事件接口时，也可以在用户 APP 中直接链接该运行库， 可以参考相关示例程序helloworld_stack和helloworld_stack_thread_socket对应的源文件main_stack.c和main_stack_thread_socket.c，因为不是使用的LD_PRELOAD, 所以本文档不再详细介绍。

DEMO 演示程序 helloworld_stack*

其他编译生成的hello_world开头的可执行文件为当前libff_syscall.so支持的几种不同运行模式的相关演示程序，下一节进行具体介绍。

F-Stack LD_PRELOAD 支持的几种模式

为了适应不同应用对 socket 接口的不同使用方式，降低已有应用迁移到 F-Stack 的门槛，并尽量提高较高的性能，目前 F-Stack 的 libff_syscall.so 主要支持以下几种模式，支持多线程的 PIPELINE 模式、线程（进程）内的 RTC（run to completion）模式、同时支持 F-Stack 和内核 socket 接口的 FF_KERNEL_EVENT 模式和类似内核 SO_REUSEPORT 的 FF_MULTI_SC 模式。

支持多线程的 PIPELINE 模式

该模式为默认模式，无需额外设置任何参数直接编译libff_syscall.so即可。

在此模式下，socket 相关接口返回的 fd 可以在不同线程交叉调用，即支持 PIPELINE 模式，对已有应用的移植接入更友好，但性能上相应也会有更多的损失。

该模式除了单进程运行方式外，同时可以支持用户应用程序多进程方式运行，每个用户进程对应一个fstack实例应用程序的实例，更多信息可以参考附录的运行参数介绍。

【注意】以此默认方式接入 F-Stack 的应用程序只能使用 F-Stack 的 socket 网络接口，而不能使用系统的 socket 接口。

hook 系统 epoll 接口

对于已有的 Linux 下的应用，事件接口都是一般使用的是epoll相关接口，对于没有更多特殊要求的应用程序，可以直接使用默认的编译参数编译libff_syscall.so后使用，参考 DEMO 程序helloworld_stack_epoll， 代码文件为main_stack_epoll.c。

【注意】F-Stack 的epoll接口依然为kqueue接口的封装，使用上依然与系统标准的epoll事件接口有一定区别，主要是事件触发方式和multi accept的区别。

使用 kqueue

当然libff_syscall.so除了支持使用LD_PRELOAD方式 hook 系统的 socket 接口的方式使用，也支持普通的链接方式使用，此时除了可以使用系统的epoll事件接口之外，还可以使用 F-Stack(FreeBSD)具有的kqueue事件接口，参考 DEMO 程序helloworld_stack， 代码文件为main_stack.c。

该使用方式的性能比LD_PRELOALD使用系统epoll接口的方式有略微的性能提升。

线程（进程）内的 RTC（run to completion）模式

该模式需要设置额外的编译参数后来编译libff_syscall.so才能开启，可以在adapter/sysctall/Makefile中使能FF_THREAD_SOCKET或执行以下 shell 命令来开启。

export FF_THREAD_SOCKET=1
make clean;make all

在此模式下，socket 相关接口返回的 fd 仅可以在本线程内调用，即仅支持线程内的 RTC 模式，对已有应用的移植接入门槛稍高，但性能上相应也会有一定的提升，适合原本就以 RTC 模式运行的应用移植。

同样的，该模式除了单进程运行方式外，同时可以支持用户应用程序多进程方式运行，每个用户进程对应一个fstack实例应用程序的实例，更多信息可以参考附录的运行参数介绍。

【注意】以此默认方式接入 F-Stack 的应用程序同样只能使用 F-Stack 的 socket 网络接口，而不能使用系统的 socket 接口。

hook 系统 epoll 接口

其他同默认的 PIPELINE 模式，可以参考 DEMO 程序helloworld_stack_epoll_thread_socket， 代码文件为main_stack_epoll_thread_socket.c。

使用 kqueue

其他同默认的 PIPELINE 模式，可以参考 DEMO 程序helloworld_stack_thread_socket， 代码文件为main_stack_thread_socket.c。

FF_KERNEL_EVENT 模式

该模式可以同时支持 F-Stack 和系统内核的 socket 接口，需要设置额外的编译参数后来编译libff_syscall.so才能开启，可以在adapter/sysctall/Makefile中使能FF_KERNEL_EVENT或执行以下 shell 命令来开启。

export FF_KERNEL_EVENT=1
make clean;make all

在此模式下，epoll相关接口在调用 F-Stack 接口的同时会调用系统内核的相关接口，并将 F-Stack 返回的 fd 与系统内核返回的 fd 建立映射关系，主要为了支持两个场景：

• 用户应用程序中有控制 fd 与 数据 fd 使用相同的 epoll fd， 如 Nginx。
• 希望本机也可以同时访问用户应用程序监听的网络接口。
  • 如果希望单独与本机系统内核进行普通网络通信，需要额外调用socket接口，并需要指定type | SOCK_KERNEL参数，并为返回的 fd 单独调用 bind()、listen()、epoll_ctl()等接口，参考 DEMO 程序helloworld_stack_epoll_kernel， 代码文件为main_stack_epoll_kernel.c

【注意1】F-Stack 中 FreeBSD 的内核参数 kern.maxfiles不应该大于 65536（原默认值为 33554432），以保证 F-Stack 的 epoll fd 到系统内核的 epoll fd 的正确映射。

【注意2】Nginx 的无缝接入需要开启此模式，因为在 Nginx 中有多个控制 fd 与 数据 fd 使用相同的 epoll fd。

FF_MULTI_SC 模式

该模式为 Nginx 等使用内核SO_REUSEPORT且fork子进程 worker 运行等特殊的设置为设置，需要设置额外的编译参数后来编译libff_syscall.so才能开启，可以在adapter/sysctall/Makefile中使能FF_MULTI_SC或执行以下 shell 命令来开启。

export FF_MULTI_SC=1
make clean;make all

在此模式下，用户应用程序与fstack实例相关联的上下文sc除了保存在全局变量sc中之外，会额外保存在全局的scs数组中，在fork()子进程 worker 时会使用 current_worker_id设置sc变量为对应 worker 进程 fd 对应的 sc，供子进程复制及使用。

Nginx 的reuseport模式的主要流程为，主进程为每个 worker 分别调用 socket()、bind()、listen()等接口，并复制到 worker 进程，而后 woker 进程各自调用epoll相关接口处理各自的 fd, 需要各自 fd 对应的上下文 sc 才能正确运行。

【注意】Nginx 的无缝接入需要同时开启 FF_KERNEL_EVENT 和 FF_MULTI_SC 模式。

Nginx 接入libff_syscall.so介绍

Nginx(以 F-Stack 默认携带的 Nginx-1.16.1 为例)目前可以不修改任何代码直接以LD_PRELOAD动态库libff_syscall.so的方式接入 F-Stack，以下为主要步骤及效果。

编译libff_syscall.so

需要同时开启 FF_KERNEL_EVENT 和 FF_MULTI_SC 模式进行编译

export FF_PATH=/data/f-stack
export PKG_CONFIG_PATH=/usr/lib64/pkgconfig:/usr/local/lib64/pkgconfig:/usr/lib/pkgconfig

cd /data/f-stack/adapter/sysctall
export FF_KERNEL_EVENT=1
export FF_MULTI_SC=1
make clean;make all

配置nginx.conf

以下为主要需要注意及修改的相关配置参数示例（非全量参数）：

user  root;
worker_processes  4; # worker 数量
worker_cpu_affinity 10000 100000 1000000 10000000; # 设置 CPU 亲和性

events {
    worker_connections  1024;
    multi_accept on; # epoll 是封装 kqueue 接口，必须要开启
    use epoll;
}

http {
    access_log  off; # 关闭访问日志，用于提高测试时的网络性能，否则每次请求都需要额外调用系统的 write() 接口记录访问日志

    sendfile        off; # 使用 F-Stack 时需要关闭
    
    keepalive_timeout  0; # 视长连接/短链接的业务需要调整
    #keepalive_timeout  65;
    #keepalive_requests 200; # 默认每个长连接最多 100 个请求，视业务需要调整，长连接时适当提高此值可以略微提高性能
    
    server {
        listen       80 reuseport; # 应该设置 reuseport，与使用系统的内核的 reuseport 行为不太一致，但都可以提高性能

        access_log off;
        
        location / {
            #root   html;
            #index  index.html index.htm;
            return 200 "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"; # 直接返回数据用以测试单纯的网络性能
        }
    ｝
}

【注意】此处的 reuseport作用是使用多个不同的 socket fd, 而每个 fd 可以对接不同的fstack实例应用程序的上下文sc来分散请求，从而达到提高性能的目的。与系统内核的reuseport行为异曲同工。

性能对比

测试环境

CPU：Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2670 v3 @ 2.30GHz * 2

网卡：Intel Corporation Ethernet Controller 10-Gigabit X540-AT2

OS  ：TencentOS Server 3.2 (Final)

内核：5.4.119-1-tlinux4-0009.1 #1 SMP Sun Jan 23 22:20:03 CST 2022 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

Nginx长连接

• body 大小为 602 字节(不包括 http 头等)。
• LD_PRELOAD 实际使用的 CPU 为几乎横轴 CPU 核心数的双倍，系统内核均衡软中断实际使用的 CPU 也远高于 worker 数量对应的 CPU 核心数量。
• 限于时间所限，其中 LD_PRELOAD 的测试数据为以上测试环境的数据，其他为历史 40G 测试环境的数据，后续会更新为相同测试环境的数据。
• 限于时间所限，8核 LD_PRELOAD 的测试数据因为系统限制的原因，有 4 组实例的用户应用程序和fstack应用程序存在跨 NUMA 节点访问的情况，后续将会更新同 NUMA 节点的性能数据。
• 受网卡硬件所限，8核 LD_PRELOAD 测试带宽已经接近 10G 网卡线速，未继续测试下去，后续应使用 40G/100G 网卡进行对比测试
• pkt_tx_delay 参数为 100us。

Nginx短链接

• body 大小为 602 字节(不包括 http 头等)。
• LD_PRELOAD 实际使用的 CPU 为几乎横轴 CPU 核心数的双倍，系统内核均衡软中断实际使用的 CPU 也远高于 worker 数量对应的 CPU 核心数量。
• 受 CPU 硬件所限（12C24HT * 2），LD_PRELOAD 测试只能测试12组应用实例组，即使用了全部 CPU 的物理核心，无法进行更多实例组的测试。
• 8核之后 LD_PRELOAD 的性能不如原始 F-Stack 的性能，最主要是受用户应用程序和fstack应用程序的匹配度不高(ff_handle_each_context的循环次数及时间等)影响很大，并未完全达到性能极致，如果持续的精细化调整可以进一步提高性能，但是通用性也不高。
• pkt_tx_delay 参数由 100us 调整到 50us。

附录：详细参数介绍

编译参数

本段总体介绍各个编译选项，所有参数都可以在adapter/sysctall/Makefile中开启或通过 shell 命令设置环境变量来开启。

DEBUG

开启或关闭 DEBUG 模式，主要影响优化和日志输出等， 默认关闭。

export DEBUG=-O0 -gdwarf-2 -g3

默认的优化参数为

-g -O2 -DNDEBUG

FF_THREAD_SOCKET

是否开启线程级上下文sc变量，如果开启，则 socket 相关 fd 只能在本线程中调用，一般可以略微提高性能， 默认关闭。

export FF_THREAD_SOCKET=1

FF_KERNEL_EVENT

是否开启epoll相关接口在调用 F-Stack 接口的同时调用系统内核的相关接口，并将 F-Stack 返回的 fd 与系统内核返回的 fd 建立映射关系， 默认关闭，主要为了支持两个场景：

• 用户应用程序中有控制 fd 与 数据 fd 使用相同的 epoll fd， 如 Nginx。
• 希望本机也可以同时访问用户应用程序监听的网络接口。

export FF_KERNEL_EVENT=1

FF_MULTI_SC

在此模式下，用户应用程序与fstack实例相关联的上下文sc除了保存在全局变量sc中之外，会额外保存在全局的scs数组中，在fork()子进程 worker 时会使用 current_worker_id设置sc变量为对应 worker 进程 fd 对应的 sc，供子进程复制及使用。默认关闭。

export FF_KERNEL_EVENT=1

运行参数

通过设置环境变量设置一些用户应用程序需要的参数值，如果后续通过配置文件配置的话可能需要修改原有应用，所以暂时使用设置环境变量的方式。

LD_PRELOAD

设置 LD_PRELOAD 的运行库，再运行实际的应用程序，可以参考以下命令

export LD_PRELOAD=/data/f-stack/adapter/syscall/libff_syscall.so

如果想通过gdb调试应用程序，则可以参考以下命令

export LD_PRELOAD=
gdb ./helloworld_stack_epoll
(gdb) set exec-wrapper env 'LD_PRELOAD=/data/f-stack/adapter/syscall/libff_syscall.so'

FF_NB_FSTACK_INSTANCE

设置fstack实例应用程序的实例数，用于和用户应用程序的进程/线程等 worker 数量相匹配，默认1。

export FF_NB_FSTACK_INSTANCE=4

建议用户应用程序 worker 数量与fstack实例应用程序尽量 1:1 配置，可以达到更好的性能。

FF_INITIAL_LCORE_ID

配置用户应用程序的 CPU 亲和性绑定的起始 CPU 逻辑 ID，16进制，默认0x4（0b0100），即 CPU 2。

export FF_INITIAL_LCORE_ID=0x4

如果用于应用程序可以配置 CPU 亲和性，则可以忽略该参数，如 Nginx 配置文件中的worker_cpu_affinity参数。

FF_PROC_ID

配置用户应用程序的进程 ID，可以配合FF_INITIAL_LCORE_ID参数设置 CPU 亲和性的绑定，10进制递增，默认0。

export FF_PROC_ID=1

如果用于应用程序可以配置 CPU 亲和性，则可以忽略该参数，如 Nginx 配置文件中的worker_cpu_affinity参数。