文章地址：https://dl.acm.org/doi/10.1145/3725272

Andy的演讲视频：P99 CONF 2024 | The Next Chapter in the Sordid Love/Hate Relationship Btwn DBs & OSes by Andy Pavlo

该文章发表于SIGMOD 2025，出自CMU的Andy团队，搞项目通过JIT生成eBPF代码实现了嵌入式KV数据库

技术背景

内核旁路（Kernel-Bypass） 是一种高性能网络数据处理技术，主要应用于 DPDK、RDMA 和 eBPF 等系统 I/O 密集型场景。这些方案通过绕过传统内核网络协议栈冗长的处理流程，从而显著提升了数据转发效率。在基于内核的传输过程中，中断处理、内存拷贝、上下文切换、缓存局部性失效以及内存管理等机制，在高并发场景下会形成严重的性能瓶颈。而 Kernel-Bypass 方案直接让应用程序与硬件交互，从而避免了这些开销。

而eBPF（extended Berkeley Packet Filter）是一种用于在操作系统内核中以安全、高效方式运行用户定义程序的虚拟机，主要用于网络包在内核中的事件与监测。由于eBPF 程序是在内核态执行的，它需要在执行前经过内核的严格验证器（verifier）检查，确保 eBPF 程序不会导致内核崩溃或出现其他安全问题。验证器会检查 eBPF 程序的执行路径是否是安全的，避免无限循环、非法内存访问。验证通过后，将会把eBPF字节码送入eBPF虚拟机中运行。

实现细节

使用eBPF实现KV数据库的核心和关键是eBPF Maps结构，该结构用于用户态（User-space）和内核空间（kernel-space）的数据交互。

Linux内核规定了Key大小最大512字节，value大小最大4096字节（4KB），所以BPF-DB虽然实现了KV数据库，但对value的大小进行了限制：value的最大值不能超过1KB

BPF-DB的核心功能放在内核空间（kernel-space）中实现，从而减少了因为Kernel-space和User space交互带来的性能损失。

且受益于Kernel-Bypass的特性，BPF-DB还可以直接通过Linux内核中的网络堆栈进行网络通信，从而减少了因为网络通信带来的延迟

实验结果

BPF-DB基于MVCC实现了事务机制，仅在p99的情况（长尾延迟，99%的请快，仅1%慢）会发生显著提高，这部分是因为版本链扫描开销，GC开销，锁冲突加剧造成

BPF-DB具备良好的可扩展性（Scalability），吞吐量（Throughput）随着线程数量增长，呈现对数增长的趋势

在上述机制的实现下，相比较于Redis有大幅度性能提升

结语

Andy在Kernel-Bypass这件事情上非常执着，无论是在CMU15-721的课上还是对外的演讲上，都一再强调数据库不应当依赖操作系统的机制，而应该独立掌控关于内存与硬盘存储的控制，于是CMU数据库组就有了关于在数据库中使用Kernel-Bypass的研究，而这篇文章也确实给在Linux内核中开发数据库的想法，提供了很不错的思路

而美中不足的地方在于，eBPF的存储限制其实很多，而且其程序不能申请栈内存，不能直接传递引用、指针，不支持递归数据结构，也不能动态分配内存。Andy虽然想要在eBPF中实现SQL，但是实现难度应该要比想象的要大。