详细介绍spdk的channel-DPDK中文网

好的，SPDK（Storage Performance Development Kit）中的 channel 是一个核心概念，它抽象了线程与NVMe设备之间的通信路径，是SPDK实现高性能、零拷贝和轮询模式I/O的关键。

以下是对SPDK Channel的详细介绍：

一个 Channel 可以理解为：

一个线程（或CPU核心）与一个NVMe设备（或NVMe命名空间）之间的专属、高效的I/O通信通道。
它不是一个物理实体，而是一个软件抽象，内部封装了执行I/O操作所需的所有关键资源。
SPDK的核心设计原则是 “每个设备，每个线程，一个Channel”。这意味着对于一个给定的NVMe设备，你想在多少个线程上对它发起I/O，就需要创建多少个Channel。

传统的内核存储栈（如Linux Kernel IO Stack）在处理高并发I/O时，会面临大量的上下文切换、中断处理和锁竞争开销。SPDK通过Userspace NVMe Driver和Channel机制来解决这些问题：

无锁设计：Channel是其所属线程的私有资源。这意味着线程在通过自己的Channel发送I/O时，不需要任何锁来保护通道内的数据结构，因为其他线程不会访问它。这彻底消除了锁竞争。
轮询模式：Channel与设备的Completion Queue（完成队列）关联。应用程序线程会主动、频繁地轮询它的CQ，而不是等待硬件中断来通知I/O完成。这消除了中断开销，极大地降低了延迟。
零拷贝：通过内存注册和共享，数据可以在用户态缓冲区和设备DMA之间直接传输，避免了内核的多次数据拷贝。
IO队列隔离：每个Channel都有自己的Submission Queue（提交队列）和Completion Queue的映射。这实现了IO流的天然隔离，避免了队列间的相互影响。

一个Channel通常包含以下关键组件：

组件	描述
QPairs (Queue Pairs)	这是最重要的部分。一个QPair由一个Submission Queue (SQ) 和一个Completion Queue (CQ) 组成，是主机与NVMe控制器之间进行命令提交和完成接收的基本单位。一个Channel可能管理一个或多个QPairs。
Poll Group	Channel通常会注册到一个Poll Group。Poll Group是一组Channel的集合，它提供了一个高效的接口（如 `spdk_poll_group_poll`）来同时轮询组内所有Channel的Completion Queues，检查是否有I/O完成。
内存域 (Memory Domain)	管理与该Channel相关的内存注册和传输单元（如DMA引擎），是实现零拷贝的基础设施。
缓存数据结构	Channel内部会缓存一些资源（如`spdk_nvme_ctrlr`的引用、跟踪正在进行的I/O等），以加速I/O路径上的操作。

创建 (Creation):
- 通过调用 spdk_nvme_ctrlr_alloc_io_qpair() （创建QPair）或更上层的抽象接口（如在BlobFS/Bdev层创建Channel）来创建。
- 创建时必须指定它与哪个线程（通过SPDK的线程抽象 spdk_thread）相关联。
- 创建过程包括为SQ/CQ分配内存、映射到设备寄存器等。
使用 (Usage):
- 应用程序线程使用其专属的Channel来提交I/O请求（nvme_ns_cmd_read/write）。
- 提交请求后，线程会定期调用 spdk_nvme_qpair_process_completions() （或通过Poll Group轮询）来检查和处理已完成的I/O。
销毁 (Destruction):
- 当线程不再需要访问该设备时，必须销毁其对应的Channel。
- 通过调用 spdk_nvme_ctrlr_free_io_qpair() 来完成销毁，释放所有占用的资源。

假设有两个线程（Thread A, Thread B）要访问同一个NVMe SSD：

Thread A调用 spdk_nvme_ctrlr_alloc_io_qpair()，为SSD创建了一个QPair/Channel (Chan-A)。
Thread B同样调用上述函数，创建了另一个QPair/Channel (Chan-B)。
Thread A使用 Chan-A 提交读请求。
1. 请求被放入Chan-A的SQ中。
2. Thread A继续执行其他任务或开始轮询Chan-A的CQ。
同时，Thread B使用 Chan-B 提交写请求。
1. 请求被放入Chan-B的SQ中。
2. 两个线程的操作完全独立，无锁竞争。
设备处理请求完毕后，会将完成结果分别放入与Chan-A和Chan-B对应的CQ中。
Thread A轮询时发现它的CQ中有完成项，便取出并进行回调处理。
Thread B做同样的事情。