High-Performance DBMSs with io_uring: When and How to use it

我们研究现代数据库系统如何利用 Linux 的 io_uring 接口实现高效、低开销的 I/O 操作。io_uring 是一种异步系统调用批处理接口，统一了存储与网络操作，弥补了现有 Linux I/O 接口的局限性。然而，简单地用 io_uring 替代传统的 I/O 接口并不一定能带来性能提升。为了阐明 io_uring 在何种情况下能发挥最大优势，以及如何在现代数据库系统中有效使用它，我们评估了两种应用场景：将 io_uring 集成到受存储限制的缓冲区管理器中，以及在网络受限的分析型工作负载中用于高吞吐量的数据重排。我们进一步分析了 io_uring 的高级特性（如注册缓冲区和直通 I/O）对端到端性能的影响。本研究揭示了底层优化在何时能够转化为显著的系统级性能增益，以及系统架构选择如何影响这些收益。基于这些发现，我们提出了利用 io_uring 设计 I/O 密集型系统的实用设计准则，并通过 PostgreSQL 近期集成 io_uring 的案例研究验证了这些准则的有效性，结果表明应用这些准则可带来 14% 的性能提升。

论文试图解决现代数据库系统中I/O操作效率低下的问题，特别是传统Linux I/O接口在高并发、高性能场景下的局限性。通过评估io_uring是否能为数据库带来实际性能提升，验证‘直接替换传统I/O即可获得收益’这一假设是否成立。这个问题在存储和网络密集型工作负载日益增长的背景下具有现实意义，虽非全新问题，但在数据库系统层面结合io_uring进行系统性分析尚属前沿。

关键思路是不能简单地用io_uring替代传统I/O调用，而应根据数据库架构和工作负载特征（如存储-bound或网络-bound）有针对性地设计I/O路径。论文提出需结合io_uring的高级特性（如注册缓冲区、直通I/O）与系统架构协同优化，并总结出可指导实践的设计准则。相比当前多数仅从系统编程角度使用io_uring的工作，该研究从端到端数据库性能出发，强调架构级适配，具有更强的工程指导性和系统观。

研究聚焦两个典型用例：存储密集型的缓冲管理器和网络密集型的数据洗牌操作，实验设计贴近真实数据库场景；深入分析了io_uring高级功能对整体性能的影响；基于实证提炼出一套实用设计指南，并在PostgreSQL的io_uring集成中验证其有效性，实现了14%的性能提升，证明了方法的实际价值。虽然未明确提及开源代码，但其案例研究基于主流数据库系统，具备复现基础。值得进一步研究的方向包括将这些原则扩展至更多数据库组件（如WAL、索引维护）以及跨平台异步I/O抽象设计。

1. Solving the Linux I/O Stack Complexity with io_uring 2. Async Everything: The Rise of io_uring in Modern Systems Programming 3. Design and Implementation of High-Performance Storage Systems Using io_uring 4. Evaluating Asynchronous I/O in Database Management Systems on Linux 5. Scalable I/O Processing in Data-Intensive Applications with io_uring