ISA-L库调研

本文分享自天翼云开发者社区《ISA-L库调研》，作者:何**尔

1.Intel SIMD指令集
SIMD(single instruction multiple data)单指令多数据流，能够复制多个操作数，并把它们打包在大型寄存器的一组指令集。以同步方式，在同一时间内执行同一条指令。
以加法指令为例，单指令单数据（SISD）的CPU对加法指令译码后，执行部件先访问内存，取得第一个操作数；之后再一次访问内存，取得第二个操作数；随后才能进行求和运算。而在SIMD型的CPU中，指令译码后几个执行部件同时访问内存，一次性获得所有操作数进行运算。这个特点使SIMD特别适合于多媒体应用等数据密集型运算。
目前主流的支持SIMD相关指令的寄存器有128bit（XMM 指令)、256bit(YMM 指令)这两种容量，这意味着对于64位的机器来说，分别提供了2到4倍的处理能力。
SIMD指令集包括从最早的MMX，到后来的SSE(包括SSE、SSE2、SSE3、SSE4)、AVX，AVX2，再到如今的AVX512指令集。
对于不同的SIMD指令集，运算寄存器组有如下区别：
SSE ：XMM0 ~ XMM7 , 提供了8个128位寄存器
SSE(x86-64) : XMM0 ~ XMM15，提供了16个128位寄存器
AVX(AVX-128): XMM0 ~ XMM15，寄存器同于SSE(x86-64)，不同于SSE的是，提供了更为多且方便的运算指令，比如使用vshufps代替shufps。
AVX2(AVX-256): YMM0 ~ YMM15，提供了16个256位寄存器。提供了更多的运算指令。
AVX512:ZMM0 ~ ZMM31，提供了32个512位寄存器。提供了更多的运算指令。
数据级并行(Data Level Parallelism)：
主要运用了SIMD单指令多数据流技术。通过一个指令，对一组多个相同类型的数据(SIMD也称"数据向量”)进行同一的操作。SIMD指令集可以提供更快的图像，声音，视频数据等运行速度，常见的SIMD指令集有MMX,SSE和AVX。

2.EC中的SIMD
ec使用GF(2^8):所有数都是一字节的
ec中主要操作是矩阵相乘，每次乘法可以通过查指数和对数表实现，也可以通过直接查乘法表实现，乘法表为避免过大，把乘数拆成高四位和低四位，再通过移位相加得到结果。
乘法表：y * u（y固定，u有256种可能），大小为256字节
缩小后的乘法表：yul（ul为u的低四位，有16种可能），大小为16字节（128bit）；yuh（uh为u的高四位，有16种可能），大小为16字节。刚好可以放在XMM寄存器里。
使用SIMD实现查表操作并行处理
两个寄存器，一个寄存器放乘法表，一个寄存器放要查的多个乘数
1.参数1：将生成的乘法表放入XMM寄存器
2.参数2：将16个要查询的值放入XMM寄存器（一次查询从从1个字节到16甚至32个字节）
3.执行函数进行查询
同理SIMD还可以并行处理异或操作
同理ec选择GF(2^16),GF(2^32)等多字节数都可实现
在使用SIMD加速有限域运算时，对CPU的最低要求是支持SSSE3扩展指令集

3.isa-l简单介绍
ISA-L全称Intelligent Storage Acceleration Library，是一个主要面向存储领域的在IA架构上加速算法执行速度的函数库，目的在于解决特定于存储市场的计算需求。
ISA-L通过使用高效的SIMD指令和专用指令，最大化的利用CPU的微架构来加速存储算法的计算过程。使用同步API，调用简单，所有性能优化都是面向单核，多线程使用简单安全。
ISA-L底层函数都是使用手工汇编代码编写，调优。通过源码包中的C示例函数，可以非常容易的理解并整合到客户的软件系统中。
ISA-L可以应用到多种操作系统中，它通过了在Linux，BSD以及Windows server上的测试，全面支持Intel 64位硬件平台。
ISA-L中的算法函数覆盖了数据保护，数据完整性，数据安全，数据压缩以及数据加密。
EC(erasure codes) : 类型为Reed-Solomon编码的纠错码，使用了GF(2^8)，并且提供了 一些有限域内运算的接口。
CRC(Cyclic Redundancy Check) : 支持iscsi32, ieee32, t10dif, ecma64, iso64, jones64多项式 的循环冗余校验，不同的标准返回的crc长度也是不同的。
Raid(Redundant Array of Independent Disks) : 并不是支持磁盘阵列的标准，而是支持raid 标准中经常需要用到的XOR和P + Q运算。
Igzip(ISA-L GNU ZIP) : 主要支持deflate和inflate算法，同时也支持了GNU ZIP的头部信 息的写入和解析。

4.isa-l使用
/include目录下有一个multibinary.asm汇编文件，该文件提供了一系列的汇编方法名为mbin_dispatch_init，而在ISA-L中的每一种算法都必须注册这个汇编方法，该方法会检查你的CPU flag，来获得支持的指令集，从而进行数据流的分发。
举个例子，当你调用ISA-L中sha256的方法，ISA-L会检测到你的CPU只支持AVX2，那么会把数据流分发到AVX2的汇编算法进行下一步操作。
而当ISA-L分发好了数据流，选定了计算所用的指令集后，就会将数据流从内存填充到具体的寄存器，再调用具体的指令集进行算法计算。
举个例子，当用户需要计算多个数据的hash结果时，用户将数据放到内存中，组成一个char *的数组。再调用ISA-L的接口，得到一个存了所有计算好hash的数组。
而在中间过程中，无论用户放到内存中的数组有多长，ISA-L每次只取出固定lane的数据进行计算（lane指的是一次计算能处理的最大长度，比如名为sha256_mb_x16_avx512.asm实现的axv512版本的sha256，x16代表了一次可以取16个lane的数据，对应到数组为取16个元素），但是用户输入的数据中，单个元素中的char *长度可能有长有短，因为数据过长，在第一次hash过程中，只处理了部分数据，得到了一个中间值，那么它将加入下一轮计算，而data1已经计算完成了，那么会填充到内存中，不再经过下一轮计算。