使用惰性字节串读取大文件时减少内核开销

Question

我正在读取一个大文件（1-10 GB）并计算一些简单的统计数据，比如计算一个字符。在这种情况下流式传输是有意义的，所以我使用了 lazy ByteStrings。特别是，我的main样子

import qualified Data.ByteString.Lazy as BSL

main :: IO ()
main = do
  contents <- BSL.readFile "path"
  print $ computeStats contents

computeStats在这种情况下，细节可能并不重要。

使用 运行它时+RTS -sstderr，我看到了这个：

MUT     time    0.938s  (  1.303s elapsed)

请注意 CPU 时间和已用时间之间的差异。除此之外，运行 under/usr/bin/time显示类似的结果：

0.89user 0.45system 0:01.35elapsed

我正在测试的文件在 中tmpfs，因此实际磁盘性能不应该是一个因素。

system在这种情况下如何减少时间？我尝试明确设置文件句柄的缓冲区大小（对运行时间没有统计上的显着影响）以及mmaping 文件并将其包装成一个ByteString（运行时间实际上变得更糟）。还有什么值得尝试的？

Answer 1

首先，您的机器似乎出现了一些奇怪的情况。当我在内存中或 tmpfs 文件系统（无论哪个）缓存的 1G 文件上运行此程序时，系统时间要小得多：

1.44user 0.14system 0:01.60elapsed 99%CPU (0avgtext+0avgdata 50256maxresident)

如果您有任何其他负载或内存压力可能会导致这些额外的 300 毫秒，我认为您需要先解决这个问题，然后我下面说的任何内容都会有所帮助，但是......

不管怎样，在我的测试中，我使用了更大的 5G 测试文件，以使系统时间更容易量化。作为基线，C 程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>

#define BUFLEN (1024*1024)
char buffer[BUFLEN];

int
main()
{
        int nulls = 0;
        int fd = open("/dev/shm/testfile5G.dat", O_RDONLY);
        while (read(fd, buffer, BUFLEN) > 0) {
                for (int i = 0; i < BUFLEN; ++i) {
                        if (!buffer[i]) ++nulls;
                }
        }
        printf("%d\n", nulls);
}

在我的测试文件上运行编译gcc -O2多次：

real    0m2.035s
user    0m1.619s
sys     0m0.416s

为了进行比较，Haskell 程序编译为ghc -O2：

import Data.Word
import qualified Data.ByteString.Lazy as BSL

main :: IO ()
main = do
  contents <- BSL.readFile "/scratch/buhr/testfile5G.dat"
  print $ BSL.foldl' go 0 contents
    where go :: Int -> Word8 -> Int
          go n 0 = n + 1
          go n _ = n

计算起来要慢一些，但系统时间几乎相同：

real    0m8.411s
user    0m7.966s
sys     0m0.444s

像所有这样的更简单的测试cat testfile5G.dat >/dev/null都会给出一致的系统时间结果，因此可以安全地得出结论，调用的开销（read很可能是将数据从内核复制到用户地址空间的特定过程）占 410 毫秒左右的系统时间的相当大的一部分。

与您上面的经验相反，切换到mmap应该会减少这种开销。哈斯克尔程序：

import System.Posix.IO
import Foreign.Ptr
import Foreign.ForeignPtr
import MMAP
import qualified Data.ByteString as BS
import qualified Data.ByteString.Internal as BS

-- exact length of file
len :: Integral a => a
len = 5368709120

main :: IO ()
main = do
  fd <- openFd "/scratch/buhr/testfile5G.dat" ReadOnly Nothing defaultFileFlags
  ptr <- newForeignPtr_ =<< castPtr <$>
    mmap nullPtr len protRead (mkMmapFlags mapPrivate mempty) fd 0
  let contents = BS.fromForeignPtr ptr 0 len
  print $ BS.foldl' (+) 0 contents

运行时用户时间大致相同，但系统时间大大减少：

real    0m7.972s
user    0m7.791s
sys     0m0.181s

请注意，使用零复制方法将映射区域变为严格区域绝对至关重要ByteString。

此时，我认为我们可能会减少管理进程页表的开销，以及使用 mmap 的 C 版本：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

size_t len = 5368709120;

int
main()
{
        int nulls = 0;
        int fd = open("/scratch/buhr/testfile5G.dat", O_RDONLY);
        char *p = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
        for (int i = 0; i < len; ++i) {
                if (!p[i]) ++nulls;
        }
        printf("%d\n", nulls);
}

具有类似的系统时间：

real    0m1.888s
user    0m1.708s
sys     0m0.180s