השוואה בין ביצועי מנהלי התקן ברשת בגרסאות ב-10 שפות תכנות

קבוצת חוקרים מאוניברסיטאות בגרמניה опубликовала ממצאים לְנַסוֹת, שבמהלכן פותחו 10 גרסאות של מנהל התקן סטנדרטי עבור כרטיסי רשת Intel Ixgbe (X10xx) של 5 גיגה-ביט בשפות תכנות שונות. הדרייבר פועל במרחב המשתמש ומיושם ב-C, Rust, Go, C#, Java, Ocaml, Haskell, Swift, JavaScript ו-Python. בעת כתיבת קוד, ההתמקדות העיקרית הייתה בהשגת הביצועים הטובים ביותר האפשריים, תוך התחשבות במאפיינים של כל שפה. כל האפשרויות זהות בפונקציונליות ומורכבות מכ-1000 שורות קוד. פיתוחי פרויקטים התפשטות תחת רישיון BSD.

גרסת ה-Rust של הדרייבר התבררה כקרובה מאוד בביצועים לדרייבר הייחוס בשפת C. בעומס עם שליחה בו-זמנית של בלוקים של 32 חבילות, הדרייבר של Rust היה מעט מאחור, אבל בבדיקות עם יותר מ-32 מנות לבלוק, המהירות כמעט לא הייתה שונה מהדרייבר C והפגין ביצועים ברמת עיבוד של 28 מיליון מנות לשנייה בשרת עם Xeon CPU E3-1230 v2 3.3 GHz.

את הנישה הבאה מבחינת ביצועים תפסו נהגים בשפות Go ו-C#, שהראו תוצאות קרובות למדי (דרייבר ה-Go ניצח במבחנים עם בלוקים של עד 16 מנות, והחל להפסיד מעט בבדיקות עם יותר מ-16 מנות בבלוק). עם 256 חבילות לבלוק, ביצועי השיא של דרייבר ה-C# היו כ-28 מיליון חבילות בשנייה, ומנהל ההתקן של ה-Go היה כ-25 מיליון מנות בשנייה.

לאחר מכן, עם תוצאות קרובות למדי, היו הנהגים עבור
Java, Ocaml והאסקל, שכבר היו בפיגור ניכר מאחורי האפשרויות שנחשבו בעבר ולא יכלו להתגבר על 12 מיליון החבילות לשנייה. מנהלי ההתקן של Swift ו-JavaScript הראו פיגור גדול עוד יותר, כשהם מסוגלים לעבד זרמים ברמה של 5 מיליון חבילות בשנייה.

את הדירוג העליון השלים מנהל ההתקן של Python, שהצליח לעבד רק 0.14 מיליון חבילות בשנייה. היישום של Python שימש להערכת מהירות המתורגמנים ללא JIT וללא אופטימיזציות ספציפיות (הקוד הופעל באמצעות CPython 3.7 ולא היה תואם ל-PyPy, אך יש לציין שאופטימיזציה של מבני אחסון נתונים יכולה לשפר את הביצועים בכ-10 פעמים. ).

בנוסף, בוצעו בדיקות חביון כדי להראות את יעילות החציצה ואת ההשפעה של אוסף האשפה. הבדיקה מדדה את ההשהיה לאחר העברת כל חבילה על ידי הנהג בהשוואה לזמן המדויק שבו נשלחה. המובילים עדיין היו נהגי ה-C וה-Rust, שתוצאותיהם היו כמעט בלתי ניתנות להבדלה עבור זרימה של מיליון חבילות בשנייה (כ-1 מיקרוסופט). נהג ה-Go תפקד היטב, היה רק ​​מעט מאחורי המובילים וגם נשאר ברמה של 20 מיקרו-שניות. מנהל ההתקן של C# הראה עיכובים של כ-20 µs.
העיכובים הארוכים ביותר הוצגו על ידי מנהלי התקנים של JavaScript ו-Java (השהיות של יותר מ-300 µs).

המחקר נערך כדי להעריך את האפשרות לפתח דרייברים ורכיבי מערכת הפעלה בשפות ברמה גבוהה יותר מ-C. נכון לעכשיו, 39 מתוך 40 בעיות זיכרון בלינוקס קשורות למנהלי התקנים, כך שהבעיות של שימוש בשפה מאובטחת יותר והעברת מנהלי התקנים אל מחוץ לקרנל אל מרחב המשתמש להישאר רלוונטיים ויצרנים כבר מתנסים באופן פעיל בכיוון זה (לדוגמה, גוגל פיתחה ערימת TCP עבור מערכת ההפעלה פוקסיה בשפת Go, חברת CloudFlare נוצר יישום של פרוטוקול QUIC ב-Rust, אפל העבירה את ערימת ה-TCP במכשירים ניידים למרחב המשתמש).

במהלך העבודה, הגיע למסקנה ששפת Rust היא המועמדת הטובה ביותר לפיתוח נהגים. היכולות של Rust מבטלות את הבעיות הקשורות לניהול זיכרון ברמה נמוכה בעלות של כ-2% עד 10% אובדן ביצועים בהשוואה לדרייברים של C. Go ו-C# נחשבים מתאימים גם ליצירת רכיבי מערכת במצבים בהם השהייה של תת אלפיות השנייה הנגרמת מאיסוף אשפה מקובלת.

מקור: OpenNet.ru