高性能 Rust JSON 库 sonic-rs 优化实践

一、sonic-rs 介绍

sonic-rs 是一个基于 SIMD 的高性能 Rust JSON 库，是 sonic JSON 库的 Rust 版本。

字节跳动 sonic 开源项目如今包含了不同语言的多个 JSON 库（如下）。其中，sonic-go 最先开源，使用了 JIT 和 SIMD 技术，sonic-cpp 使用了 C++ 模板和 SIMD 技术，这两个 JSON 库均已经在字节内部得到了较大规模的落地。在成本优化大背景下，为了帮助 Golang 业务迁移 Rust，优化 Rust JSON 性能，我们基于 JSON 方面的优化经验和实践，用纯 Rust 语言开发了高性能的 JSON 库  sonic-rs。

• sonic（Golang JSON 库）:https://github.com/bytedance/sonic

• sonic-cpp（C++ JSON 库）:https://github.com/bytedance/sonic-cpp

• sonic-rs（Rust JSON 库）:https://github.com/cloudwego/sonic-rs

sonic-rs 目前支持的 JSON 功能比较齐全，基本对齐了 serde-json 的相关功能，并且提供更加丰富的功能和更多的高性能接口。sonic-rs 的主要功能特点有：

• 基本兼容 Serde 生态，同时支持 Volo 中的 FastStr 类型

• 支持动态类型编解码和按需解析

• 支持 LazyVaue，RawNumber 等类型

• 支持 UTF-8 校验和标准浮点数精度

在性能方面，我们基于 serde-rs 官方 benchmark (https://github.com/serde-rs/json-benchmark) 提供的 Rust 结构体和 JSON 数据，对 serde-json, simd-json 和 sonic-rs 在 Rust 结构体下的解析性能进行了测试，可以发现 sonic-rs 的性能是 simd-json 的 1.5~2 倍，是 serde-json 2 倍：

二、sonic-rs 优化实践

sonic-rs 的优化主要基于 SIMD，其中部分借鉴了其他 JSON 库，如 simd-json 的优化思路。SIMD (Single instruction, multiple data) 是一种并行优化技术，可以用一条指令，并行处理多个数据。如今大多数 CPU 已经支持了各种 SIMD 指令集。例如，x86_64 架构下的 SSE，AVX2，AVX512， aarch64 架构下的 neon 指令集等。使用 SIMD 指令优化之后，对于合适的任务，程序执行的指令数量会更少，因此性能会更好。

在整体设计上，sonic-rs 并没有采用 simd-json 那种二阶段解析的思路，主要将 SIMD 优化应用于 JSON 解析和序列化中的热点，包括字符串序列化、按需解析和浮点数解析等。

1. SIMD 优化字符串序列化

字符串序列化是 JSON 序列化的热点。序列化时，需要扫描字符串中的转义字符。对于较长的字符串，逐个字节判断转义字符的操作是比较耗时的，扫描转义字符非常适合使用 SIMD 来加速。

如果用 AVX2 指令来扫描转义字符，如下面代码所示。这段 SIMD 代码在 haswell 架构下面，开 O3 优化之后，其实只有六条 SIMD 指令，即 6 条 SIMD 指令可以一次性扫描 32 个字节。相比较标量代码来说，大大减少了程序指令的数量，从而减少了程序的执行时间。

2. SIMD 优化按需解析

很多业务场景只用到 JSON 中的部分字段，很适合按需解析，在解析时跳过不需要的 JSON 字段。在跳过 JSON 字段时，难点在于如何高效跳过 JSON 中的 object 和 array。

基于 JSON 中 object 和 array 括号必须匹配的语法规则，sonic-rs 使用 SIMD 实现了高效的括号匹配算法。先通过 SIMD 得到 json object 和 array 的 bitmap，然后通过计算括号的数量来跳过 object 和 array。当发现括号匹配时，就可以跳过该 object 或 array。

3. SIMD 优化浮点数解析

浮点数解析是 JSON 解析中的一个性能热点。在字节内部，我们发现 JSON 中大部分浮点数的尾数都比较长，也适合使用 SIMD 优化。如下图，对于一段长 16 个字节的浮点数尾数 "1234342112345678"：

• 先将这段字符串读取到向量寄存器里面，此时向量的每个数字还是 ASCII 码的值。

• 其次，用向量的减法，逐个字节减去 ASCII 码 '0' 得到 v1。这时。v1 里面的数字已经是十进制。

• 然后，继续对 v1 里面的各个数字用向量指令做两两乘加（高位乘以 10 再加上低位），得到 v2。v2 里面的各个数已经是十进制的两位数。

• 以此类推，利用 SIMD 指令逐层累加，最终就得到 v16。v16 里面是一个 16 位数，即最终的尾数解析结果。

• 最后，我们再用向量指令把 v16 转成 u64 类型。

整个解析过程，不用遍历浮点数尾数的每一个字符，就能完成浮点数尾数解析。

三、sonic-rs 现状和规划

sonic-rs 已经开源几个月了，目前迭代到了 0.3 版本，已经支持 Rust stable 版本，并且支持了 aarch64 架构。sonic-rs 沉淀了一些使用文档，用以帮助各方面的开发者：

• Golang 迁移 Rust 用户使用 sonic-rs:https://github.com/cloudwego/sonic-rs/blob/main/docs/for_Golang_user_zh.md

• Rust serde-json 用户迁移 sonic-rs:https://github.com/cloudwego/sonic-rs/blob/main/docs/serdejson_compatibility.md

• 性能优化细节：https://github.com/cloudwego/sonic-rs/blob/main/docs/performance_zh.md

后续，sonic-rs 会在性能，易用性和稳定性上面继续打磨，预期会支持对 Bytes/FastStr 等常见数据类型的零拷贝解析，支持运动时检测 SIMD 指令等，欢迎感兴趣的开发者一起加入我们。

项目地址

GitHub：https://github.com/cloudwego

官网：www.cloudwego.io