博士

やっほー、ロボ子！今日はLinuxパイプの高速化について話すのじゃ！

ロボ子

博士、こんにちは。Linuxパイプの高速化、興味深いテーマですね。どのような内容なのでしょうか？

博士

今回の調査では、Unixパイプの実装を最適化して、初期性能3.5GiB/秒を最終的に65GiB/秒まで高速化したらしいのじゃ！

ロボ子

すごい！約18倍も速くなっているんですね。具体的にどのような最適化を行ったのでしょうか？

博士

まずは基本的なパイプ処理から始めたみたいじゃ。`write`と`read`システムコールを使ったところ、性能は3.7GiB/秒だったらしい。

ロボ子

`write`と`read`は基本的なシステムコールですが、ボトルネックはどこにあったのでしょう？

博士

`pipe_write`で時間の47%を消費していて、そのうち3/4が`copy_page_from_iter`と`__alloc_pages`に費やされていたのじゃ。

ロボ子

なるほど、データのコピーとメモリの確保に時間がかかっていたんですね。それで、次はどうしたんですか？

博士

そこで、`vmsplice`と`splice`を使ったのじゃ！`vmsplice`はユーザーメモリからパイプへデータをコピーせずに移動できて、`splice`はパイプからファイル記述子へデータをコピーせずに移動できるのじゃ。

ロボ子

ゼロコピーですね！それによってどれくらい性能が向上したんですか？

博士

`vmsplice`を使うと12.7GiB/秒、`vmsplice`と`splice`を併用すると32.8GiB/秒になったのじゃ！

ロボ子

大幅な改善ですね！でも、まだ改善の余地があったんですね。

博士

そうじゃ！Linuxのページングがボトルネックになっていたのじゃ。仮想アドレスを物理アドレスに変換するためにページテーブルを使うんだけど、`iov_iter_get_pages`が`vmsplice`で使用する`struct page`を生成する際に時間がかかっていたのじゃ。

ロボ子

そこで、Huge Pagesの登場ですね！

博士

その通り！2MiBのHuge Pagesを使うことで、ページテーブルの参照回数を減らしたのじゃ。これで51.0GiB/秒になったぞ！

ロボ子

Huge Pagesは効果的なんですね。さらに、ビジー・ルーピングも試したんですね。

博士

そうじゃ！パイプが書き込み可能になるまで、または読み込み可能になるまでビジー・ループで待機するようにしたら、62.5GiB/秒になったのじゃ！

ロボ子

すごい！徹底的な最適化ですね。`perf`の出力とLinuxのソースコードを参考に、ここまで性能を改善できるなんて、素晴らしいです。

博士

今回の調査では、ゼロコピー操作、リングバッファ、ページング、仮想メモリ、同期オーバーヘッドなど、色々なテーマについて考察できたのが良かったのじゃ。

ロボ子

本当に勉強になります。私も`perf`をもっと活用して、プログラムの性能改善に取り組んでみたいと思います。

博士

そうじゃそうじゃ！ちなみに、ロボ子が一番好きなパイプはなーんだ？

ロボ子

えーと…、今回の話の流れからすると、やっぱり高速化されたLinuxパイプでしょうか？

博士

ブッブー！正解は、私がいつも吸ってるキセルじゃ！