ISA-L分為了isa-l_pub版本和isa-l_crypto版本， 如圖1所示。前者主要包含了在儲存領域的一些演算法，後者主要包含的是密碼學的一些演算法，包括在最新版本中增加了高效能SM3演算法的支援。
圖 1 ISA-L 庫概況
ISA-L的運算快的主要原因是用了SIMD。那麼SIMD是什麼呢？SIMD(Single Instruction Multiple Data)的中文釋義是單指令流多資料流。顧名思義，就是單條指令，可以處理多條資料流。舉個具體例子，如圖2所示，我們存在兩個陣列，分別存了4個int，如果需要下標相同的元素相加的話，正常程式碼需要寫一個迴圈，分別加4次再存到陣列中。而在SIMD中，只需要做一次add操作就可以完成。並且SIMD中的暫存器每一個小塊的空間也是相對獨立的（當然不同指令集的操作長度也不同），和陣列一樣，下標為1的數值相加溢位後，不會影響到下標0的數值。
圖 2 SIMD add指令示例
從最早的MMX，到後來的SSE(包括SSE、SSE2、SSE3、SSE4)、AVX，AVX2，再到如今的AVX512指令集，都是SIMD的指令集。而ISA-L的核心就是對於SIMD的使用，將指令集運算細節封裝，再暴露出上層C的介面，以達到加速的目的。對於不同的SIMD指令集，運算暫存器組有如下區別：SSE ：XMM0 ~ XMM7 , 提供了8個128位暫存器SSE(x86-64) : XMM0 ~ XMM15，提供了16個128位暫存器AVX(AVX-128): XMM0 ~ XMM15，暫存器同於SSE(x86-64)，不同於SSE的是，提供了更為多且方便的運算指令，比如使用vshufps代替shufps。AVX2(AVX-256): YMM0 ~ YMM15，提供了16個256位暫存器。提供了更多的運算指令。AVX512:ZMM0 ~ ZMM31，提供了32個512位暫存器。提供了更多的運算指令。值得一提的是，AVX512的ZMM暫存器和AVX2的YMM暫存器有著重疊的關係，AVX2的YMM暫存器組和SSE的XMM暫存器組同樣存在著重疊的關係。 舉個例子，當你機器同時擁有AVX512和AVX2指令集時，當你操作YMM0的時候，會改變ZMM0低位256位的暫存器組。它們的關係如圖3所示：
圖 3 XMM, YMM, ZMM 暫存器之間的關係
所以，當你混用不同指令集的時候，需要注意指令集的操作範圍，防止得出來的計算結果只能正確一部分。SIMD基本原理介紹完了，那麼ISA-L是如何使用SIMD來加速運算的呢？首先，在專案include目錄下有一個multibinary.asm彙編檔案，該檔案提供了一系列的彙編方法名為mbin_dispatch_init，而在ISA-L中的每一種演算法都必須註冊這個彙編方法，該方法會檢查你的CPU flag，來獲得支援的指令集，從而進行資料流的分發。舉個例子，當你呼叫ISA-L中sha256的方法，ISA-L會檢測到你的CPU只支援AVX2，那麼會把資料流分發到AVX2的彙編演算法進行下一步操作。而當ISA-L分發好了資料流，選定了計算所用的指令集後，就會將資料流從記憶體填充到具體的暫存器，再呼叫具體的指令集進行演算法計算。一般來說，在記憶體中的資料流都是由多段buffer組成的，這樣對於SIMD來說是友好的。舉個例子，當用戶需要計算多個數據的hash結果時，使用者將資料放到記憶體中，組成一個char *的陣列。再呼叫ISA-L的介面，得到一個存了所有計算好hash的陣列。而在中間過程中，無論使用者放到記憶體中的陣列有多長，ISA-L每次只取出固定lane的資料進行計算（lane指的是一次計算能處理的最大長度，比如名為sha256_mb_x16_avx512.asm實現的axv512版本的sha256，x16代表了一次可以取16個lane的資料，對應到陣列為取16個元素），但是使用者輸入的資料中，單個元素中的char *長度可能有長有短，比如圖4 中的data2，因為資料過長，在第一次hash過程中，只處理了部分資料，得到了一箇中間值，那麼它將加入下一輪計算，而data1已經計算完成了，那麼會填充到記憶體中，不再經過下一輪計算。
圖 4 ISA-L中hash計算
除了SIMD之外，ISA-L也支援了一些比較“另類”的指令集，比如SHANI，這是為了加速少量資料HASH而設計的，之前說過SHA256的AVX512版本一次處理16個lane的資料，但是但使用者一次提交的資料數目過少，或者SIMD計算後只剩下單個或兩個過長的buffer沒有計算完，SHANI就可以加速這種情況。當然除了SHANI之外，ISA-L同樣也用了AESNI指令集對AES進行加速。另外在ISA-L中，為了減少記憶體的throughput，我們儘量的避免了在演算法過程中使用棧，為了代替棧的使用，我們儘量的使用暫存器作為暫存資料（當然這也帶來了程式碼的可讀性降低）。但是在一些情況下也是不可避免的使用了棧進行快取，比如當你的暫存器已經佔滿，不夠用的時候，或者演算法要求的預運算值會佔用比較大的空間。這也是另外一點ISA-L計算快的原因。
二ISA-L支援的演算法
isa-l_pub目前版本(v2.30.0)包含了以下演算法：EC(erasure codes) : 型別為Reed-Solomon編碼的糾錯碼，使用了GF(2^8)，並且提供了一些有限域內運算的介面。CRC(Cyclic Redundancy Check) : 支援iscsi32, ieee32, t10dif, ecma64, iso64, jones64多項式的迴圈冗餘校驗，不同的標準返回的crc長度也是不同的。Raid(Redundant Array of Independent Disks) : 並不是支援磁碟陣列的標準，而是支援raid標準中經常需要用到的XOR和P + Q運算。Igzip(ISA-L GNU ZIP) : 主要支援deflate和inflate演算法，同時也支援了GNU ZIP的頭部資訊的寫入和解析。isa-l_crypto目前版本(v2.23.0)包含了以下演算法：Multi-buffer hashes : 包含了標準SHA1、SHA256、SHA512、MD5、SM3的hash演算法集。MH (Multi hashes) : 自研hash演算法，包含了mh-sha1和mh-sha256。它的設計為了序列的hash過程 ，設計核心是將單個的buffer分組為多個塊進行SIMD過程， 有興趣的讀者可以看看multi-hash-paper（在文末點選“閱讀原文”即可）。（注意：mh1-sha256得出的結果和標準sha256得出的結果並不一致。）AES(Advanced Encryption Standard) : 標準的AES演算法，支援GCM、CBC、XTS三種模式，並且支援128位、192位、256位金鑰長度。Rolling hash : 標準的劃窗hash
三ISA-L的使用
要進行編譯以及安裝庫，通常只需執行如下即可：
./autogen.sh./configuremakesudo make install
對於isa-l_pub來說，如果需要編譯target：make check : 編譯並執行基本的執行測試，測試包含了一些內建的測試集make tests : 編譯並執行基本的單元測試make perfs : 編譯並執行isa-l_pub的效能測試軟體，將會和openssl對比效能make ex : 編譯內建的example，並非所有演算法都有examplemake other : 編譯工具集，目前isa-l_pub只提供了igzip的一個工具集。make doc : 編譯建立api文件對於isa-l_crypto來說，由於isa-l_crypto並沒有額外的工具集提供，所以並沒有make other選項提供。其他的編譯target的選項和isa-l_pub一致。當你構建並安裝好ISA-L後，預設情況下標頭檔案安裝在/usr/include，庫檔案安裝在/usr/lib64/下。你可以將相應的庫和標頭檔案引入專案即可使用。但是在介面方面，ISA-L的和openssl的並不完全一致。對於一些演算法來說，ISA-L提供了example和工具來展示介面如何使用，這並不是全部演算法都包含的。這個時候，你可以參考演算法的API文件或者相應的tests來編寫自己的應用程式。再或者，如果你目前的專案使用的是openssl，想切換到isa-l，那麼你可以參考一下ISA-L中帶有rand test的測試案例，這種測試案例都是和openssl進行對比測試。拿sha256_mb/sha256_mb_rand_ssl_test.c為例，這裡ISA-L用了自己的sha256介面和openssl的介面分別運算同一串字串，得到結果進行對比測試。呼叫openssl的介面用到了SHA256()函式，但我們ISA-L的介面卻用到了三個函式：sha256_ctx_mgr_init : 初始化sha256的ctxsha256_ctx_mgr_submit : 將ctx裡面的資料提交sha256_ctx_mgr_flush : 將ctx未計算完的資料全計算完成我們介面能接收的資料是多個buffer，而非單串字串。接收多個buffer後，使用SIMD，效能自然是openssl的數倍，當然我們也能夠提供提個類似於openssl SHA256的介面，但是這並不符合ISA-L設計的初衷。
四SPDK/DPDK中 ISA-L的支援情況
在DPDK中，ISA-L幫助DPDK構建了 Compression dev和 crypto dev，具體使用情況如下：在Compression dev中使用DEFLATE介面（包含在igzip中），來幫助PMD進行壓縮/解壓操作CRC32，來幫助PMD進行資料完整性校驗在crypto dev中AES，幫助PMD進行AES的加密/解密操作HASH，幫助PMD對資料進行hash操作而在SPDK中，ISA-L作為一個git submodule被包含了進去，在很多地方也有使用ISA-L，具體如下：SPDK中提供了vbdev_crypto和vbdev_compress，這是藉助於DPDK中Compression dev和crypto dev實現的，底層同樣運行了ISA-LISA-L的CRC被SPDK封裝成了一個util，在blobstore，tcp，iscsi，ftl，ocf等模組中都有用到。