Files
ARSV/articles/for-alt/article.md
T
2026-08-24 05:53:12 +03:00

190 lines
16 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters
This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.
# Исследование и улучшение механизма работы `set`-строк в ALT RPM
Ориентир на 700 слов, 9к символов
(!!!)/(???) - дополнить/уточнить
всё ещё куда-то надо включить "хэш клёвый, но медленный, вот тесты"
Проверить, чтобы всё, что нужно в `это` попало
## 1. Зачем нужны set-строки
Обычная зависимость от версии библиотеки не гарантирует, что в ней остались все нужные программе символы: символ можно удалить, не сменив SONAME, а одинаковые SONAME могут скрывать разные наборы экспортов. Поэтому ALT RPM использует версии зависимостей вида `set:<encoded-set>`. Для `Provides` такая строка описывает символы, предоставляемые библиотекой, а для `Requires` - символы, которые конкретный потребитель требует от неё. В такой конфигурации сравниваются не номера версий, а включение множеств: все хэши символов из `Requires` должны присутствовать в `Provides`.
Гарантия вероятностная, поскольку вместо полноценных имён символов хранятся усечённые хэши, но ответ "символ отсутствует", когда он есть мы не получим
## 2. Структура set-строки
set-строка формируется следующим образом:
1. Список символов формируется автодепами `rpm-build`.
2. По количеству `Provides` символов (`cnt`) вычисляется `bpp` - количество бит до которых обрезается хэш символа при формировании строки. (!!!)
3. Для каждого символа считается хэш-функция (используется Jenkins OAAT), хэш обрезается до `bpp` бит.
4. Массив хэшей сортируются, повторы удаляются.
5. Абсолютные значения заменяются дельтами между значениями
6. Для кодировки Golomb-Rice вычисляется параметр `Mshift=bpp - log2(cnt) - 1`.
7. Массив дельт сжимаются кодировкой Golomb-Rice.
8. Битовый поток преобразуется в Base62-строку.
Примечание: при формировании set-строки для `req` символов, `bpp` вычисляется по количеству `prov` символов в актуальной (???) версии библиотеки для избежания сильного усечения хэшей при небольшом количестве требуемых символов.
Итоговая строка выглядит следующим образом:
```text
set:<bpp_char><Mshift_char><base62 строка>
```
```text
bpp_char = bpp - 7 + 'a'
Mshift_char = Mshift - 7 + 'a'
```
Краткая схема:
```
массив строк
| (Jenkins OAAT)
v
массив усечённых хэшей
| (qsort)
v
отсортированный массив хэшей
| (вычисление разницы между элементами)
v
массив delta
| (Rice-Golomb преобразование)
v
битовый массив
| (base62 преобразование)
v
set-строка
```
### Механизм сравнения set-строк
Для проверки включения множества символов `req` в множество `prov` необходимо выполнить обратное декодирование следующим образом:
```
set-строка
| (обратное base62 преобразование)
v
битовый массив
| (обратное Rice-Golomb преобразование)
v
массив delta
| (вычисление изначальных значений)
v
массив усечённых хэшей (отсортированный)
```
Значения хэшей в массивах приводятся к минимальному `bpp` из двух set-строк (сохраняется отсортированность и дистинктивность(???)).
После получения отсортированных массивов хэшей из set-строк, включение символов (а точнее их усечённых хэш-значений) одного множества во второе проверить не составляет труда.
## 3. Практическая реализация
Несмотря на описанную структуру set-строки, на практике в текущем `lib/set.c` применяется множество оптимизаций и улучшений, направленных на ускорение работы `rpmsetcmp(const char *set1, const char *set2)` (функции, выдающей результат включения множеств). Рассмотрим основные из них.
### 3.1. Слитый декодер
Вместо описанной выше последовательности декодирования set-строк применяется функция, объединяющая этапы `base62` и `golomb`.
`decode_base62_golomb()` - оптимизированная версия стадий `decode_base62` и `decode_golomb`. Функция считывает сразу по два байта, с помощью пре-compiled таблицы преобразует их в битовую последовательность, набирая блоки до 24 бит, после декодирует по `Rice-Golomb`.
Благодаря такому подходу удаётся ускорить работу алгоритма на сравнении строк в ~2 раза. (!!!)
### 3.2. Кэширование `Provides` set-строк
При передачи первого параметра (`const char *set1`) в функцию сравнения set-строк (`rpmsetcmp()`), set-строка кэшируется.
Используется простой LRU кэш (массив размером `256`), который сохраняет fingerprint оригинальной set-строки, саму set-строку и декодированный массив хэшей.
При cache_hit элемент смещается на первую позицию, а при первом попадании попадает на позицию `min(243, len(cache))`.
Очевидным недостатком такого подхода является:
1. Малый размер кэша
при увеличении размера кэша до 512 элементов, производительность увеличилась на X% (!!!)
2. Затраты на `realloc` при cache_hit
из-за хранения элементов кэша как массив (а не списком, например), после каждого попадания кэша приходится смещать до 255 записей.
### 3.3. Быстрое сравнение включения множеств символов
После получения отсортированных и усечённых до одинакового `bpp` масивов хэшей, необходимо проверить включение множеств. Отметим, что множество `req` символов будет, как правило, разреженным относительно множества `prov` символов.
`lib/set.c` делает это с помощью макроса `IFLT4`(`IFLT8`).
Данный макрос отвечает за быстрые прыжки на 4(8) элементов массива, и последующее уточнение на 2(4), 1(2) и 0(1) элемента, пока не найдём позицию, где `hash_arr1[i] <= hash_arr2[j] > hash_arr1[i+1]`.
Макрос `IFLT8` с первоначальным прыжком на 8 элементов выбирается при `len(hash_arr1) >= 16 * len(hash_arr2)`. В остальных случаях используется макрос `IFLT4`.
Из недостатков данного способа выделяется фиксированная длина прыжка, которую имеет смысл увеличивать пропорционально `len(hash_arr1) / len(hash_arr2)`.
## 4. Дальнейшие оптимизации
(???) Говорить ли про python-реализацию вовсе
Текущая реализация `lib/set.c` трудночитаемая и труднопонимаемая, а также не содержит некоторых оптимизаций, которые могли бы сильнее ускорить работу библиотеки.
В связи с этим, было принято решение о реимплементации кода с сохранением совместимости к текущему формату set-строк.
### 4.1. Слитый энкодер
В прошлом разделе говорилось о ускорении работы функции `rpmsetcmp()`, однако для части кода отвечающей за создание set-строк как таковых оптимизаций не существует.
Поэтому энкодер в новой версии пропускает стадию создания битового масива и напрямую декодирует base62 строки в массив delta.
### 4.2. Общая память под строки
Для улучшения encode составляющей также была изменена работа с памятью под символы. В новой версии вместо множества указателей на строки, под каждый из которых требуется свой `malloc`, введён единый указатель, в котором хранятся все символы последовательно, а индекс начала каждого из символа хранится отдельно.
Это позволяет снизить часть расходов на `malloc`.
### 4.3. Radix sort
Вместо `qsort` при сортировке хэшей символов теперь используется `radix sort` на количестве элементов массива >128. (при <=128 остаётся `qsort`)
### 4.4. Изменённый кэш
Кэш претерпел множество изменений, т.к. давал сильный прирост в скорости (!!!)
1. Изменён размер до 512 значений.
2. Добавлен кэш также и для `req` set-строк. Теперь порядок аргументов не имеет значения для производительности.
3. Кэш теперь строится на списках, а не на массиве, благодаря чему более нет затрат на `realloc` при cache hit.
### 4.5. Изменённый декодер
Оставляя изначальную идею слитого декодера, была написана его реимлементация, использующая более простую логику, но использующая 64-битные блоки, а также упрощённую precompiled таблицу. (???) если есть результаты ускорения, сюда надо
### 4.6. Тесты производительности
Для проверки производительности сравнивались две локальные сборки `librpm`: исходная реализация и версия с описанными изменениями. Замеры выполнялись на одинаковых симуляционных командах `apt-get`.
Коэффициент считается как отношение времени исходной реализации к времени изменённой. Значение больше `1` - ускорение, меньше `1` - замедление.
| Команда | `set.c` user, с | `set.c` system, с | `set9.c` user, с | `set9.c` system, с | Ускорение по user | Ускорение по user+system |
| --------------------------- | --------------: | ----------------: | ---------------: | -----------------: | ----------------: | -----------------------: |
| `-s check` | 0.453 | 0.033 | 0.503 | 0.040 | 0.901× | 0.896× |
| `-s autoremove` | 0.763 | 0.040 | 0.810 | 0.040 | 0.942× | 0.945× |
| `-s install rpm-build` | 1.210 | 0.050 | 1.283 | 0.050 | 0.943× | 0.945× |
| `-s install openuds-server` | 3.747 | 0.080 | 3.897 | 0.083 | 0.962× | 0.961× |
| `-s install password-store` | 1.233 | 0.050 | 1.310 | 0.050 | 0.941× | 0.944× |
## 5. Прочие исследования
В данной главе собраны исследования, которые не вошли непосредственно в реализацию новой версии, однако важны своими идеями и результатами.
### 5.1. Реализация без промежуточной кодировки хэшей
Первое направление - отказаться от `delta` и `Golomb-Rice` и хранить отсортированные усечённые хэши почти напрямую. Заметная часть времени при сравнении тратится на декодирование set-строки. Если сделать строку дешевле в декодировании, можно получить выигрыш на холодном сравнении и проигрыш в длине строки.
(!!!) Результаты теста
Также было рассмотрено исользование `Roaring Bitmap`, однако его эффективность достигается для плотных множеств, что не актуально при работе с хэш-функциями.
### 5.2. Тестирование коллизий хэш-функций
Отдельно проверялась идея заменить `Jenkins OAAT` на более современную хэш-функцию. По скорости на длинных строках Jenkins действительно проигрывает (!!!)
Однако при тестировании коллизий оказалость, что все три функции на вероятностной побитовой карте показывают близкие к "идеальным" результаты. (!!!)
## 6. Итоги
(нужны ли..)