Сравнение производительности сетевого драйвера в вариантах на 10 языках программирования
12 сентября 2019 года
Группа исследователей из немецких университетов опубликовала результаты эксперимента, в ходе которого на разных языках программирования было разработано 10 вариантов типового драйвера для 10-гигабитных сетевых карт Intel Ixgbe (X5xx). Драйвер работает в пространстве пользователя и реализован на языках C, Rust, Go, C#, Java, OCaml, Haskell, Swift, JavaScript и Python. При написании кода основное внимание уделялось достижению максимально возможной производительности с учётом особенностей каждого языка. По функциональности все варианты идентичны и состоят примерно из 1000 строк кода. Наработки проекта распространяются под лицензией BSD.
Вариант драйвера на языке Rust оказался очень близок по производительности к эталонному драйверу на языке Си. При нагрузке с единовременной отправкой блоков по 32 пакета Rust-драйвер немного отставал, но в тестах с более чем 32 пакетами в блоке по скорости практически не отличался от драйвера на Си и демонстрировал производительность на уровне обработки 28 млн пакетов в секунду на сервере с CPU Xeon E3-1230 v2 3.3 GHz.
Следующую нишу по производительности заняли драйверы на языках Go и С#, которые показали достаточно близкие результаты (драйвер на Go выигрывал в тестах с блоками, включающими до 16 пакетов, и стал немного проигрывать в тестах с более чем 16 пакетами в блоке). При 256 пакетах в блоке пиковая производительность драйвера на C# составила примерно 28 млн пакетов в секунду, а драйвера на Go примерно 25 млн пакетов в секунду.
Далее с достаточно близкими результатами следовали драйверы на Java, OCaml и Haskell, которые уже заметно отставали от ранее рассмотренных вариантов и не смогли преодолеть планку в 12 млн пакетов в секунду. Ещё большее отставание показали драйверы на Swift и JavaScript, которые смогли обработать потоки на уровне 5 млн пакетов в секунду.
Замкнул рейтинг драйвер на языке Python, который смог обработать всего 0.14 млн пакетов в секунду. Реализация на Python была использована для оценки скорости работы интерпретаторов без JIT и без специфичных оптимизаций (код выполнялся с использованием CPython 3.7 и не был совместим с PyPy, но отмечается, что оптимизация структур хранения данных могла бы повысить производительность примерно в 10 раз).
Дополнительно были проведены тесты на время задержки, которые показывали эффективность буферизации и влияние сборщика мусора. При тестировании измерялась задержка после перенаправления каждого пакета драйвером по сравнению с точно известным временем отправки. Лидерами по-прежнему стали драйверы на Си и Rust, результаты которых были практически неотличимы для потока в 1 млн пакетов в секунду (примерно 20 µs). Хорошо проявил себя драйвер на языке Go, который лишь немного отстал от лидеров и также держался на уровне 20 µs. Драйвер на C# показал задержки примерно в 50 µs. Самые большие задержки показали драйверы на JavaScript и Java (задержки более 300 µs).
Исследование проведено с целью оценки возможности разработки драйверов и компонентов операционной системы на языках более высокого уровня, чем Си. В настоящее время 39 из 40 проблем при работе с памятью в Linux приходятся на драйверы, поэтому вопросы применения более безопасного языка и выноса драйверов из ядра в пространство пользователя остаются актуальными и производители уже активно экспериментируют в этом направлении (например, Google разработал TCP-стек для ОС Fuchsia на языке Go, компания CloudFlare создала реализацию протокола QUIC на языке Rust, компания Apple перенесла TCP-стек на мобильных устройствах в пространство пользователя).
В ходе проведённой работы сделан вывод, что язык Rust является лучшим кандидатом для разработки драйверов. Предоставляемые в Rust возможности позволяют избавиться от проблем, возникающих из-за низкоуровневой работы с памятью, ценой снижения производительности примерно на 2%-10% по сравнению с драйверами на языке Си. Языки Go и C# также признаны пригодными для создания системных компонентов, в ситуациях когда приемлемы задержки на уровне долей миллисекунд, вызванные применением сборщика мусора.
Источники
править
Любой участник может оформить статью: добавить иллюстрации, викифицировать, заполнить шаблоны и добавить категории.
Любой редактор может снять этот шаблон после оформления и проверки.
Комментарии
Если вы хотите сообщить о проблеме в статье (например, фактическая ошибка и т. д.), пожалуйста, используйте обычную страницу обсуждения.
Комментарии на этой странице могут не соответствовать политике нейтральной точки зрения, однако, пожалуйста, придерживайтесь темы и попытайтесь избежать брани, оскорбительных или подстрекательных комментариев. Попробуйте написать такие комментарии, которые заставят задуматься, будут проницательными или спорными. Цивилизованная дискуссия и вежливый спор делают страницу комментариев дружелюбным местом. Пожалуйста, подумайте об этом.
Несколько советов по оформлению реплик:
- Новые темы начинайте, пожалуйста, снизу.
- Используйте символ звёздочки «*» в начале строки для начала новой темы. Далее пишите свой текст.
- Для ответа в начале строки укажите на одну звёздочку больше, чем в предыдущей реплике.
- Пожалуйста, подписывайте все свои сообщения, используя четыре тильды (~~~~). При предварительном просмотре и сохранении они будут автоматически заменены на ваше имя и дату.
Обращаем ваше внимание, что комментарии не предназначены для размещения ссылок на внешние ресурсы не по теме статьи, которые могут быть удалены или скрыты любым участником. Тем не менее, на странице комментариев вы можете сообщить о статьях в СМИ, которые ссылаются на эту заметку, а также о её обсуждении на сторонних ресурсах.
