uCache: A Customizable Unikernel-based IO Cache (FAST 2026)
一句话总结：基于 OSv unikernel 把 mmap 风格的 OS 级 IO cache 做成应用可定制（VMA + 策略 hookpoint + uVFS），相对 mmap 提升随机访问吞吐 55×，相对 SPDK 仅有 3.5% 平均开销，同时保留文件系统兼容。
问题
数据密集型云应用在 IO caching 上长期面临两难选择：用 OS 级 cache（mmap + page cache）简单但伴随严重的全局锁、TLB shootdown、缺乏应用级控制（POSIX madvise/mlock 太粗粒度）；用 userspace cache（vmcache、tricache 等基于 SPDK）性能强、控制细，但实现复杂、与现有文件系统不兼容、不支持远程 object store 这种非 FS 后端。
核心方法
uCache 利用 unikernel 的单地址空间架构（基于 OSv）打通 OS 与应用边界，提出三件事：
- 共享 VMA + 策略 hookpoint：每个 cache region 对应单一 VMA，应用通过
setPolicy()注册回调（needToEvict、chooseEvictionBuffers、isEvictable、choosePrefetchBuffers等），灵感来自 eBPF 但因 unikernel 无隔离需求所以原生执行无沙箱开销。 - Lock-free 缓存操作：用 CAS 在 PTE 上做 page insertion/eviction，eviction 时先 IPI 触发 TLB invalidation 再 CAS 清地址，支持非硬件页大小（4KiB-64KiB Buffer）批量操作。
- uVFS + uStore 抽象：解耦 cache 与 IO 后端。提供 NVMe-optimized uStore（zero-copy、per-core queue pair、polling/interrupt 双模），并通过 MiniFS 把控制路径委托给现有 ext4，数据路径绕过 block layer。
三个 use case：mmap drop-in 替换、移植 vmcache 作 DBMS buffer manager（仅删 400 LoC、改 100 LoC）、给 DuckDB 的 Parquet 访问加自定义预取策略。
关键结果
- 4KiB 顺序插入吞吐相对 mmap 提升 55×（64 线程读），随线程数线性扩展
- NVMe uStore 相对 SPDK 平均仅 3.5% overhead，相对 libaio 提升 50% 平均、最高 150%
- vmcache 移植到 uCache 在 TPC-C 上接近 exmap（118k vs 121k tps），仅 3% 开销，且保持事务安全
- 内存 footprint 仅占物理内存的 1.7%（1TiB 文件、128GiB cache、4KiB Buffer）