1. 簡(jiǎn)介

      文件系統(tǒng)長(zhǎng)久以來(lái)一直是UNIX 存儲(chǔ)管理的核心，UNIX 的用戶通過(guò)系統(tǒng)命令和系統(tǒng)接口對(duì)存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和管理。文件系統(tǒng)的使用提供了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的有效手段。

      如同使用其它方式一樣，文件系統(tǒng)的使用是對(duì)于性能與易用性平衡的結(jié)果。在應(yīng)用和磁盤之間傳輸數(shù)據(jù)最快的方式是直接進(jìn)行訪問(wèn)，如使用裸設(shè)備。而使用文件系統(tǒng)來(lái)存數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生很多額外開銷，如串行訪問(wèn)，緩存和數(shù)據(jù)拷貝。這些都將對(duì)性能產(chǎn)生影響。使用裸設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)雖然能減少這些額外開銷，但對(duì)用戶的技術(shù)水平要求較高，而且不同應(yīng)用程序?qū)β阍O(shè)備的使用方式也不同，需要對(duì)用戶進(jìn)行額外的培訓(xùn)。但由于對(duì)裸設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)的高性能，傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序更希望使用裸設(shè)備而不是文件系統(tǒng)。

       在JFS2 文件系統(tǒng)上采用并行I/O (Concurrent I/O) 技術(shù)后，數(shù)據(jù)庫(kù)用應(yīng)用可以得到與采用裸設(shè)備相似的性能。

      2. 數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用

      對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，之所以采用裸設(shè)備比采用文件系統(tǒng)具有更好的I/O 性能，主要是由于文件系統(tǒng)的一些特性：

       ▲文件緩存

       ▲文件寫保護(hù)鎖或inode 鎖

       ▲系統(tǒng)的sync 進(jìn)程

       這些文件系統(tǒng)的特性可以幫助保護(hù)數(shù)據(jù)的一致性，提高容錯(cuò)能力，事實(shí)上在許多情況下提高系統(tǒng)的性能。然而這些特性卻經(jīng)常對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響。本文將解釋文件系統(tǒng)中這些特性的作用，并介紹在JFS2 上的新功能如何消除它們對(duì)性能的影響。

       2.1 文件緩存

       從最基本的層面來(lái)說(shuō)，文件就是在介質(zhì)上所存儲(chǔ)一些二進(jìn)制位的集合，當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要從某個(gè)文件訪問(wèn)數(shù)據(jù)的時(shí)候，操作系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，然后此進(jìn)程可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，最后將處理完的數(shù)據(jù)寫入磁盤。操作系統(tǒng)能夠從磁盤上直接讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)，但是由于磁盤較慢的訪問(wèn)速度，這些操作的響應(yīng)速度和吞吐率都較差。因此操作系統(tǒng)試圖通過(guò)文件緩存的技術(shù)，即在內(nèi)存中緩存數(shù)據(jù)的方法，來(lái)減少對(duì)磁盤的訪問(wèn)頻率。當(dāng)進(jìn)程需要從文件中讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，操作系統(tǒng)首先試圖從文件緩存中讀取所需要的數(shù)據(jù)，如果這些數(shù)據(jù)不在文件緩存中，那么從磁盤上文件系統(tǒng)的文件中讀取，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)緩存在文件緩存中。如圖1 和圖2 所示：

圖1 讀操作- 數(shù)據(jù)在文件緩存中（命中）

圖2 讀操作- 數(shù)據(jù)不在文件緩存中（沒(méi)有命中）

      與讀數(shù)據(jù)相似，當(dāng)寫數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)寫入文件緩存，因此將來(lái)需要再讀取這些數(shù)據(jù)時(shí)，不需要訪問(wèn)磁盤，同時(shí)也降低了寫磁盤的頻率。當(dāng)緩存的命中率高時(shí)，使用文件緩存將是非常有效的。并且可以采用預(yù)先讀取和延遲寫的技術(shù)來(lái)減少磁盤訪問(wèn)的頻率。文件緩存所帶來(lái)的另一個(gè)好處是，以異步的方式進(jìn)行寫操作，這使得應(yīng)用可以繼續(xù)運(yùn)行，而不用等待數(shù)據(jù)寫入磁盤操作的完成，如圖3 所示。

      雖然文件緩存提高了I/O 的性能，但是它消耗了大量的系統(tǒng)內(nèi)存。AIX JFS2 文件系統(tǒng)允許系統(tǒng)管理員控制可以作為文件緩存的最大內(nèi)存數(shù)。這種控制通過(guò)maxclient% 參數(shù)控制。系統(tǒng)管理員可以使用vmo 命令來(lái)調(diào)整maxclient% 參數(shù)。maxclient% 的卻省值是80 ，其含義是80%

的物理內(nèi)存能夠作為文件緩存。maxclient% 參數(shù)的取值可在1 至100 之間變動(dòng)。如可以采用以下命令設(shè)置最多50% 的系統(tǒng)物理內(nèi)存能夠作為文件緩存：vmo ?Co maxclient%=50 。

圖3 寫操作

     與此相對(duì)應(yīng)，裸設(shè)備不使用系統(tǒng)內(nèi)存來(lái)緩存應(yīng)用的數(shù)據(jù)，所以沒(méi)有以上圖示的操作。

     2.1.1 直接存?。―irect I/O ）

      一些應(yīng)用程序并不能從文件緩存中得到好處，如有些進(jìn)行大量科學(xué)運(yùn)算的程序，從不訪問(wèn)以前訪問(wèn)過(guò)的數(shù)據(jù)，而且由于他們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行順序訪問(wèn)，這使得文件緩存的命中率非常低。數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用通常在應(yīng)用層上有自己的數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，所以不需要操作系統(tǒng)進(jìn)行文件緩存。在這種情況下，使用文件緩存會(huì)產(chǎn)生很多額外開銷，因?yàn)閿?shù)據(jù)首先從磁盤被讀入系統(tǒng)的文件緩存，然后從文件緩存拷貝到應(yīng)用的緩存中，這被稱為“重復(fù)拷貝”（double-copying ），重復(fù)拷貝增加了額外的CPU 開銷，并且相同的數(shù)據(jù)同時(shí)在文件緩存和應(yīng)用的緩存中，增加了內(nèi)存的消耗。

      JFS2 的直接存取（Direct I/O ）技術(shù)可以使應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)被系統(tǒng)的文件緩存忽略。當(dāng)使用Direct I/O 時(shí)，數(shù)據(jù)直接從磁盤讀取到應(yīng)用程序的緩存中，而不是用系統(tǒng)的文件緩存。圖4 和圖5 說(shuō)明了在Direct I/O 下的讀、寫操作。

圖4 Direct I/O 的讀操作

圖5 Direct I/O 的寫操作

      2.1.1.1 Direct I/O 的設(shè)置方法

      Direct I/O 可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一是通過(guò)在mount 文件系統(tǒng)時(shí)加 ?Co dio 的參數(shù)，即 mount ?Co dio /fs 。二是在調(diào)用open() 函數(shù)打開一個(gè)文件時(shí)加O_DIRECT 參數(shù)。當(dāng)一個(gè)文件系統(tǒng)在mount 時(shí)使用了?Co dio 的參數(shù)，此文件系統(tǒng)的所有文件缺省都會(huì)使用Direct I/O ，你也可以通過(guò)namefs 使得Direct I/O 只對(duì)文件系統(tǒng)中某個(gè)子目錄中的文件起作用。例如：文件系統(tǒng)somefs 中有一些文件希望使用Direct I/O 功能，但是其它文件并不希望使用，你可以創(chuàng)建一個(gè)子目錄subsomefs ，將所有希望使用Direct I/O 功能的文件放入這個(gè)子目錄，在mount somefs 時(shí)不使用-o dio 參數(shù)，然后用mount ?Cv namefs ?Co dio /somefs/subsomefs /somefs 命令mount subsomefs 。

       Direct I/O 對(duì)應(yīng)用程序I/O 的邊界（alignment ）和塊大小（length ）有限制，表1 列出了JFS2 對(duì)此的要求，如果應(yīng)用的I/O 不滿足此要求，所有的I/O 操作會(huì)按傳統(tǒng)的方式（文件緩存）的方式進(jìn)行，但當(dāng)數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綉?yīng)用的緩存后，系統(tǒng)緩存中的拷貝會(huì)被拋棄。當(dāng)使用Direct I/O 時(shí)，文件系統(tǒng)的預(yù)讀功能將不會(huì)起作用。