RFC-0223：zx_vmo_transfer_data

摘要

我们建议添加一个新的系统调用 zx_vmo_transfer_data，以允许调用方将页面从一个 VMO 移至另一个 VMO。这可以被视为一种效率改进，可让数据移动而不会产生复制开销。

设计初衷

过去对 Fuchsia 性能的分析发现，Bootfs 的深层分层 CoW 克隆链会导致查找页面时搜索时间过长。此系统调用将通过将克隆链替换为包含 Bootfs 的各个条目的“接合”VMO 来减少此开销。

虽然目前的动机是 Bootfs，但未来可能还有其他情况下，能够移动页面可以提升性能。

利益相关方

哪些人对此 RFC 的接受与否有利益相关？（此部分为可选部分，但建议填写。）

教员：cpu@

审核员：rasheqbal@, jamesr@

咨询者：mcgrathr@、maniscalco@、adanis@、eieio@

共享：此提案以一页纸的形式向 Zircon 团队共享。

设计

我们将向 Zircon syscall API 添加以下系统调用：

zx_status_t zx_vmo_transfer_data(zx_handle_t dst_vmo,
                                 uint32_t options,
                                 uint64_t offset,
                                 uint64_t length,
                                 zx_handle_t src_vmo,
                                 uint64_t src_offset);

其中：

• dst_vmo 是目标 VMO 的句柄。此句柄必须具有 ZX_RIGHT_WRITE。
• options 是一个目前未使用的字段，可用于未来扩展 API。
• offset 是将页面移至目标位置的偏移量。
• length 是要移动到目标位置的字节数。
• src_vmo 是源 VMO 的句柄。此句柄必须包含 ZX_RIGHT_READ 和 ZX_RIGHT_WRITE。
• src_offset 是从来源检索网页的偏移量。

此系统调用将 [src_offset, src_offset + length) 中的页面从 dst_vmo 中的 src_vmo 移至 [offset, offset + length)。它在功能上等同于从 src_vmo 到 dst_vmo 的 memmove，然后是 src_vmo 中关联页面的取消提交。不过，实现此目的的机制有所不同；后备页面实际上是在 VMO 之间移动，而不是复制数据。这样可以显著提高性能。尽管机制不同，但此系统调用与 memmove 具有相同的语义，即支持提供重叠的源和目标区域。

读者可能会好奇，如果系统调用会移动页面，为什么系统调用被称为 zx_vmo_transfer_data，而不是 zx_vmo_transfer_pages。这是我们有意做出的选择，以防日后需要放宽严格的页面对齐要求。例如，我们可能希望支持用户请求转移一页半内容的用例。在这种情况下，我们会移动第一页，然后复制出剩余的半页。这仍然比用户进行简单的复制更高效，因为这样我们可以绕过目标网页的清零操作。请注意，初始实现不支持此用例；此处提及此用例只是为了提供命名选项的背景信息。

目标网址范围内的现有网页将被覆盖。目标 VMO 的所有映射也会看到新内容。如果目标 VMO 有子级，子级的类型将影响子级看到的内容。类型为 ZX_VMO_CHILD_SNAPSHOT 和 ZX_VMO_CHILD_SNAPSHOT_MODIFIED 的儿童将继续看到旧内容。所有其他类型的孩子都会看到新内容。迁移完成后，src_vmo 中的页面将清零。

迁移失败的原因有很多。如需完整列出可能的错误代码及其返回场景，请参阅下文中的“错误”部分。

如果迁移失败，则 src_vmo VMO 中的任意数量的页面都可能已迁移到 dst_vmo。我们无法保证实际移动了多少数据。不过，我们可以保证，如果满足以下条件，调用将会成功：

1. 不符合导致出现下列错误的任何条件。
2. 在此操作运行期间，任何其他线程都不会修改 src_vmo 和 dst_vmo。

在本上下文中，“修改”是指直接对 VMO 或对 VMO 的引用（例如 slice、引用子项等）进行写入/调整大小/固定。修改任何类型的快照的父级、子级或同级兄弟姐妹应该不会导致任何错误，但具体取决于快照，您可能会遇到写入画面撕裂。如果您操控 SNAPSHOT_AT_LEAST_ON_WRITE VMO 的父项，则可能会发生写入画面撕裂，因为实际传输没有承诺的原子性。请注意，如果从 SNAPSHOT 子项传输页面，如果该特定页面尚未执行写时复制，我们可能需要执行复制（即分配新页面）。

以下是此系统调用可以返回的错误及其含义：

• ZX_ERR_BAD_HANDLE：src_vmo 或 dst_vmo 不是有效的 VMO 句柄。
• ZX_ERR_INVALID_ARGS：offset、length 或 src_offset 未对齐页面。如前所述，我们将来可能会移除此限制。
• ZX_ERR_ACCESS_DENIED：src_vmo 不含 ZX_RIGHT_WRITE 和 ZX_RIGHT_READ，或者 dst_vmo 不含 ZX_RIGHT_WRITE。
• ZX_ERR_BAD_STATE：将 src_vmo 或 dst_vmo 中指定范围内的网页固定。
• ZX_ERR_NOT_SUPPORTED：src_vmo 或 dst_vmo 是物理、连续或由分页器支持的 VMO。我们未来或许能够支持由分页器支持的 VMO。
• ZX_ERR_OUT_OF_RANGE：dst_vmo 或 src_vmo 中指定的范围无效。
• ZX_ERR_NO_MEMORY：因内存不足而失败。

实现

这应该是一组相对简单的 CL，因为我们有一个现有的系统调用 zx_pager_supply_pages，它会对分页器支持的 VMO 执行非常类似的操作。因此，我们可以重复使用该系统调用的许多后备代码。 不过，我们需要做出一些更改才能支持这种新用例：

1. zx_pager_supply_pages 会验证所提供的 VMO 是否由指定的页面器对象提供支持。我们需要在新系统调用中移除此项。
2. SupplyPages 是 zx_pager_supply_pages 用于将页面插入 VMO 的函数，它假定存在一个分页器，在代码中称为 page_source_。我们必须在对 page_source_ 进行操作之前添加 NULL 检查，并移除对其存在性的任何断言，以消除此假设。
3. SupplyPages 还会在将页面拼接到目的地之前解压缩所有压缩的页面并添加标记，因为它希望目的地由分页器支持。匿名 VMO 不需要这样做，因此我们需要根据目标是否有分页器支持来决定是否执行此操作。
4. SupplyPages 目前会跳过目标位置中存在的任何网页，但仍会释放来源中的网页。如前所述，我们将更改此设置，使其始终覆盖目标位置。
5. SupplyPages 目前不考虑具有父级的 VMO。在大多数情况下，这并不是问题。不过，如果目的地是类型为 ZX_VMO_CHILD_SNAPSHOT 的子项，我们需要更新父项中的分屏位，以表明 VMO 已与隐藏的父项分歧。

性能

我们预计这将显著提升 Bootfs 中的 VMO 页面查找性能。具体而言，从目前使用的 CoW 克隆链切换为使用此系统调用移动页面，应该会使 bootfs 查找性能提高约 20%。请注意，我们可以通过创建 VMO 的副本（而不是像此系统调用建议的那样移动页面）来实现类似的 bootfs 查找改进。不过，这种方法确实可以将系统的启动时间缩短高达 70%（具体取决于我们所运行的硬件目标）。使用此 RFC 中提出的方法可以恢复大部分回归。

向后兼容性

我们不打算移除现有的 zx_pager_supply_pages 系统调用，因此预计不会出现任何向后兼容性问题。

安全注意事项

我们预计此提案不会产生任何安全影响，因为新操作的功能与现有操作（memcpy() + uncommit）等效，但性能更好。它不打算允许进程执行之前无法执行的操作。

不过，这会增加攻击面。如果系统调用实现中存在可利用的 bug，任何进程都可能会利用这些 bug。

隐私注意事项

我们预计此提案不会产生任何隐私影响。

测试

我们将添加利用新系统调用的核心测试，并验证上述所有行为（页面移动、约束条件和源页面清零）。我们还将添加一个基准来衡量此系统调用的性能，然后将其与副本的性能进行比较。

文档

我们将添加介绍 zx_vmo_transfer_data 的新文档。

缺点、替代方案和未知情况

我们可以将 zx_pager_supply_pages 推广为可与匿名 VMO 搭配使用。这会大大增加该系统调用的实现复杂性，并且可能仍需要修改 API 才能接受匿名 VMO 作为输入。

如果我们的唯一目标是提高 bootfs 中 CoW 克隆层次结构中的页面查找性能，我们也可以只使用 VMO 的副本，而不是创建 CoW 克隆。不过，由于额外的复制开销，这会显著延长启动时间。