Сравнение на производителността на мрежовия драйвер на 10 езика за програмиране

Група изследователи от германски университети публикувано данни експеримент, по време на който бяха разработени 10 варианта на типичен драйвер за 10-гигабитови мрежови карти Intel Ixgbe (X5xx) на различни езици за програмиране. Драйверът работи в потребителско пространство и е внедрен в C, Rust, Go, C#, Java, OCaml, Haskell, Swift, JavaScript и Python. При писането на кода фокусът беше върху постигането на възможно най-висока производителност, като се вземат предвид характеристиките на всеки език. По отношение на функционалността, всички опции са идентични и се състоят от приблизително 1000 реда код. Постиженията на проекта разпространение под лиценз BSD.

Rust версията на драйвера беше много близка по производителност до референтния C драйвер. При натоварване с едно изпращане на блокове от 32 пакета драйверът на Rust изоставаше малко, но при тестове с повече от 32 пакета на блок той практически не се различаваше по скорост от C драйвера и демонстрира производителност на ниво обработка 28 милиона пакета в секунда на сървър с Xeon CPU E3-1230 v2 3.3 GHz.

Следващата ниша по отношение на производителността беше заета от Go и C# драйверите, които показаха доста близки резултати (драйверът Go спечели в тестове с блокове, включващи до 16 пакета, и започна леко да губи в тестове с повече от 16 пакета в блок). С 256 пакета на блок, пиковата производителност за драйвера C# беше приблизително 28Mpps, а за драйверите Go приблизително 25Mpps.

На следващо място, с доста близки резултати, следван от драйвери за
Java, OCaml и Haskell, които вече бяха забележимо зад разглежданите по-рано опции и не можаха да преодолеят лентата от 12 милиона пакета в секунда. Драйверите, базирани на Swift и JavaScript, показаха още по-голямо изоставане, които успяха да обработват потоци на ниво от 5 милиона пакета в секунда.

Драйверът на езика Python затвори рейтинга, който успя да обработи само 0.14 милиона пакета в секунда. Изпълнението на Python беше използвано за оценка на скоростта на интерпретаторите без JIT и без специфични оптимизации (кодът беше изпълнен с помощта на CPython 3.7 и не беше съвместим с PyPy, но се отбелязва, че оптимизирането на структурите от данни може да подобри производителността с около 10 пъти).

Освен това бяха проведени тестове за латентност, които показаха ефективността на буферирането и въздействието на събирача на отпадъци. Тестът измерва латентността, след като всеки пакет е пренасочен от драйвера, в сравнение с известно време за изпращане. Лидерите все още бяха драйверите C и Rust, резултатите от които бяха почти неразличими за поток от 1 милион пакета в секунда (около 20 µs). Драйверът на езика Go се представи добре, който беше само малко зад лидерите и също се запази на ниво от 20 µs. C# драйверът показа закъснения от около 50 µs.
Драйверите, базирани на JavaScript и Java, показват най-големи забавяния (закъснения над 300 µs).

Проучването е проведено, за да се оцени възможността за разработване на драйвери и компоненти на операционната система на езици на по-високо ниво от C. В момента 39 от 40 проблема с паметта на Linux са свързани с драйвери, така че проблемите с приемането на по-безопасен език и преместването на драйвери извън ядрото в потребителското пространство остават актуални и производителите вече активно експериментират в тази посока (например Google разработи TCP стек за OS Фузия в Go, CloudFlare създаден внедряване на протокола QUIC в Rust, Apple премести TCP стека на мобилни устройства в потребителско пространство).

В хода на извършената работа беше заключено, че езикът Rust е най-добрият кандидат за разработка на драйвери. Функциите, предоставени от Rust, ви позволяват да се отървете от проблемите, които възникват поради обработка на паметта на ниско ниво, с цената на понижаване на производителността от около 2%-10% в сравнение с драйверите на C-език. Установено е също, че Go и C# са подходящи за изграждане на системни компоненти в ситуации, при които забавянето под милисекунди, причинено от събирача на отпадъци, е приемливо.

Източник: opennet.ru