F5-M3 批5 perf:NVMe vs AHCI gcc/g++ I/O 对比（F5-M3 收官）

日期:2026-07-06 · 分支:feat/f5-nvme-virtio（接批4c f3ea0a4） 范围:NVMe vs AHCI gcc/g++ 编译 I/O 对比。init.cpp runtime 选 boot disk + run-nvme-buildroot-usability gate。F5-M3 收官。

成果

• NvmeBlockDevice accessor:nvme::nvme_block_device() / set_nvme_block_device()（全局 g_nvme_blk，照 AHCI::instance() 单例模式）。main.cpp Step 21a set，init.cpp 读。
• init.cpp runtime 选盘:NVMe Ext2 mount 成功 → NVMe rootfs；else AHCI fallback（避免 Ext2(nullptr) crash——条件构造，§14 文件 gate 精神，无 #ifdef）。同一 kernel 镜像 + 同一 rootfs-gcc.ext2，纯粹换底层块设备驱动。
• run-nvme-buildroot-usability gate:NVMe 挂 rootfs-gcc.ext2（192MB），AHCI 挂 1MB test disk。isa-debug-exit gate 跑 usability-test.sh（gcc/g++ smoke）。

perf 对比（同一 rootfs-gcc.ext2 + gcc/g++，只换底层驱动）

[MEM] I/O 统计（gcc+g++ 编译累计 ext2 read I/O 时间）:

指标	AHCI 基线	NVMe	收益
reads	8135	8135	同（只换驱动 ✓）
KiB	31158	31158	同
I/O 时间	10763 ms	9365 ms	−1398 ms（−13%）

两 gate 都 [usability] result: PASS（gcc-compile-run + gpp-compile-run）。NVMe I/O 层比 AHCI 快 13%。

诚实标注

• QEMU 仿真打折扣:理论 per-page NVMe ~50μs vs AHCI ~2.4ms ≈ 40×，QEMU 仿真远不到（NVMe/AHCI 都走 QEMU block backend，差异被 backend 平摊）。真机才接近理论收益。
• polling 模式:NVMe 跑 io_submit 轮询 IO Cq（init_msi_x mask_all，不发 MSI）。真 async IRQ（unmask）留 follow-up——批5 perf 不需要，polling 够。
• I/O 时间 vs wall-clock:[MEM] I/O 是 ext2 read I/O 累计（不含 cc1 编译 CPU 时间）。wall-clock gcc 单命令 ~6s（用户串口复测），I/O 占比小，NVMe wall-clock 改善 < 13%。
• 单核 gate 偶发：run-nvme-buildroot-usability（无 -smp）g++ 偶发 slba=246176 NVME_LBA_RANGE（CAP_EXCEEDED，rootfs-gcc.ext2 sparse hole——apparent 192M / actual 132M；QEMU raw backend 读 hole 边界）。重跑过。留 follow-up（非 sparse rootfs fallocate 或 NVMe 专用 nvme-gcc.img）。

⭐ production gcc 崩根因：NvmeBlockDevice SMP 竞态（commit 749e7db）

批5 NVMe 默认 boot 接入 production run（-smp 2）后，gcc /hello.c 崩：gcc ldso 段错误（addr=0x1，读 garbage jmp）+ [NVMe] NVM I/O slba=2315255800 failed CAP_EXCEEDED（slba 1.18TB 越界）+ [EXT2] read_block(1157627900)（垃圾块号）。

根因：NvmeBlockDevice 单 DmaBuffer + io_submit polling 无锁，-smp 2 多核并发 read_blocks → DmaBuffer 被覆盖（A 的 NVMe read 还没 memcpy，B 已发起下一次覆盖 dma_buf_）→ memcpy 读 garbage 半写入数据 → ext2 算出垃圾 block → NVMe 越界 slba → gcc 读错 binary → ldso 跳垃圾地址。单核 gate 不触发（无真并发），production -smp 2 + gcc fork 链触发——这正是 NVMe gate PASS 而 production 崩的差异。

修：NvmeBlockDevice::read_blocks/write_blocks 加 cinux::proc::Spinlock guard（串行 dma_buf_ + NVMe IO + memcpy）。用户 GUI run（TCG -smp 2）gcc /hello.c 编译跑通 + echo > /rw.txt 写盘验过。

教训：单 DmaBuffer IBlockDevice 适配器（NVMe/AHCI 同模式）在 SMP 下必须锁——单核 gate 验不出竞态，只有 production -smp 多核 + 多进程（gcc fork 链）才暴露。AHCIBlockDevice 同模式但 AHCI GUI gcc 闭环过（read 时序短/原子，未显式竞态），follow-up 给 AHCI 也加 lock 防御。

F5-M3 弧总结（5 批）

• 批0 立项 docs + ROADMAP。
• 批1 PCI 枚举 + BAR0 self-assign（SeaBIOS 假绿坑）+ map + CAP/VS（1b7fc5a）。
• 批2a/b Controller enable（CC.EN↔CSTS.RDY）+ Admin SQ/CQ + doorbell + Identify Controller（a471f22/1c2f4ac）。
• 批3 MsixController 多实例 + init_msi_x（dev_.bar[0] stale 治 #PF）（65694b6/3dead2e）。
• 批4a Identify Namespace + Create IO Cq/SQ + ISR（IDT[0x41]）+ enable MSI-X。⭐根因 1 CC 字段位错（IV 误诊，0x8205=MAX_QSIZE_EXCEEDED）+ ⭐根因 2 NVMe MSI 污染 LAPIC（test kernel 没 switch_to_apic→0x41 占 ISR 阻塞 e1000 timer；修 init_msi_x mask_all）（dcf4b42）。
• 批4b NVM Read/Write（单页 PRP1）+ round-trip（6c88c1c）。
• 批4c NvmeBlockDevice（IBlockDevice 适配）+ main.cpp Step 21a 并存注册（f3ea0a4）。
• 批5 perf NVMe vs AHCI gcc/g++（44726e1）+ NVMe 默认 boot disk。
• 批5 后 fix NvmeBlockDevice Spinlock 治 SMP 竞态（production -smp 2 gcc 崩，根因 3，749e7db）；默认 TCG（host /dev/kvm GID 漂 kmem，7591e1e）。

接入缝 = NVMe 默认 + AHCI fallback（批5 后用户决策：NVMe I/O −13% 更快，production rootfs 默认 NVMe；cinux_qemu_run_target 的 run/run-single/run-smp 默认 NVMe 挂 ROOTFS_IMG，AHCI port 0 留 test disk；NVMe 缺失时 init.cpp runtime fallback AHCI 作 legacy）。run-buildroot-usability（AHCI 基线）+ run-nvme-buildroot-usability（NVMe）两 gate 保留作对比。Ext2（IBlockDevice*）零改——NvmeBlockDevice 直接传 Ext2 构造。test kernel 两 leg 1844/0（批4c 验；批5 init.cpp 改动是 production，test 用 main_test 不走 init.cpp）+ production boot（NvmeBlockDevice ready + [INIT] rootfs on NVMe）。

验证

• run-buildroot-usability（AHCI 基线）+ run-nvme-buildroot-usability（NVMe）：两 gate result: PASS，串口 [INIT] rootfs on AHCI/NVMe，I/O 时间对比（AHCI 10763ms / NVMe 9365ms）。
• run-kernel-test 单核 TCG 922/0（回归；KVM permission denied——host /dev/kvm GID 漂 kmem，CINUX_NO_KVM=1 TCG 绕；init.cpp runtime 选盘改动是 production，test 用 main_test 不走 init.cpp，逻辑上不影响 test）。

follow-up（登记留续）

• flaky:NVMe gate g++ 偶发 LBA_RANGE（rootfs sparse hole）。用非 sparse rootfs 副本（fallocate）或 NVMe 专用 nvme-gcc.img。
• PRP list（多 block >4KB，NvmeBlockDevice 当前拒绝）。
• NVMe Admin Flush（opcode 0x09）真 flush。
• unmask MSI-X + 真 async IRQ（production 中断驱动，若 perf 要）。
• 真硬件测（QEMU 不反映真 NVMe 收益）。