ZFS - 块分配（Block Allocation）

翻译 Jeff Bonwick博客：https://blogs.oracle.com/bonwick/en/entry/zfs_block_allocation

块分配是每个文件系统的中枢。它不仅仅影响到性能，而且影响到管理模块（比如说条带化配置），甚至会影响到类似事务、压缩以及快照之间共享blcok等一些核心的功能。所以说确保块分配的正确性是很重要的。

 

ZFS的块分配策略有三个组件构成：

• 选择设备（动态条带化）
• 选择Metaslab
• 选择Block

在设计上，这三部分是相互独立且可插拔的。他们可以根据意愿修改而无需修改磁盘上的格式，这给我们在未来的时间里有很大的灵活性。

 

那么，我们开始分配一个block。

 

1. 选择设备（即：动态条带化）

• 我们第一个任务就是选择一个设备。目标是分散存储池中的磁盘负载，是我们获得最大的带宽，而无需考虑条带组。你添加越多的磁盘，就会有越多的带宽。我们称这个为动态条带化。
• 有很多种方法来选择一个设备。任何一种方法都可行，包括随机选择一个。但是有一些显示情况需要考虑：
• 如果一个设备刚刚被添加到pool，那么它相对而言比较空。为了弥补这种不平衡，我们倾向于选择使用较少的设备。这样可以是所有的设备都有相同的使用程度。
• 在其他条件相同的情况下，我们使用round-robin策略来选择磁盘，但是这需要小心地设定轮转策略。如果粒度过大（比如1GB），我们在做顺序读写过程中，只能使用一个磁盘的贷款。如果粒度太小的话（比如1个block），就不能充分利用磁盘自身的缓存。在实际应用中，我们发现每512K轮转一次在当前的磁盘情况下比较合适。
• 对于Intent Log设备而言，我们必须每次写入之后就轮换一次。这是因为log block的生命周期比较短暂，我们并不期望能再次读他们；因此我们在写log block时需要最大的IOPs。
• 对于不同的类型的数据我们需要不同的策略，比如说大的连续的数据，或是小的随机的数据，短暂的数据（比如Intent Log）以及dnodes。
• 如果一个设备由于某种原因而导致很慢或是被降级，它应该被跳过。

 

2. 选择Metaslab

• 由于总体的架构上是通过slab allocator实现，我们把每个设备分成几百个成为metaslab的区域。既然已经选择了一个设备，我们应该使用哪个metaslab呢？直观上来说，我们总是希望选择空闲空间最多的，但是这里也有一些其他的因素要考虑：
• 现代的磁盘有着相同的密度和恒定的角动量。因此，外圈的区域要比内圈的区域更快，具有较大的带宽，外圈与内圈的比通常是2：1。因此我们在计算的时候给外圈的metaslab赋予更高的权重。实际上，我们在选择metaslab时，是选择更高带宽而不是简单地选择较多空闲空间的。
• 如果一个pool相对比较空，我们希望一直分配磁盘外圈的区域。这样既有较大的带宽，又有较低的延时（寻址距离短）。所以我们给之前使用过的metaslab赋予更高的权重。
• 所有的这些考虑都可以在metaslab_weight()函数中。确定了权重方案之后，选择算法就很简单了：总是权责权重最高的metaslab。

 

3. 选择Block

选择了metaslab之后，我们就必须在这个metaslab中选择block。当前的分配策略只是采用first-fit算法；似乎我们有更好的选择。我希望以后我们不仅有更好的算法，而是一组算法。对于特定的情况下都有比较完美的算法。

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