Ceph bluestore中的缓存管理

从15年3月接触Ceph分布式存储系统，至今已经5年了；因为工作的需要，对Ceph的主要模块进行了较深入的学习，也在Ceph代码层面做了些许改进，以满足业务需要（我们主要使用M版本）。最近得闲，将过往的一些学习心得、改进以及优化思路记录下了，希望能对后来者有所帮助。

这是第四篇：Ceph bluestore中的缓存管理

前言

bluestore构建在裸盘上，在用户空间，通过FreelistManager以及Allocator来管理磁盘空间且通过direct-io访问磁盘，所以它不能够利用到系统的pagecache。为了提升性能，bluestore在用户态实现了基于2q和lru算法的cache。

bluestore中的缓存管理

缓存对象及相关数据结构

在继续后文前，我们先来明确几个主要的结构及其作用：

1. Object： Ceph实际上分布式对象存储系统，通过Object来表示存储系统中的IO对象，类似传统文件系统中的文件，由数据（Bufferlist）和元数据（Onode）两部分组成
2. Collection：pg的内存表示，常驻内存，它是Object对象的逻辑仓库
3. bluestore_cnode_t：Collection的元数据
4. Onode： Object的元数据，包含对象id以及指向对象数据逻辑位置<offset, len>的ExtentMap结构
5. bluestore_onode_t：Onode的元数据，存储在db中
6. Cache：bluestore 缓存对象，有LRUCache和TwoQCache两种
7. OnodeSpace：Onode的缓存管理对象，包含一个Cache对象以及一个unordered_map类型的Onode映射
8. Buffer：Object对象数据（bufferlist，offset，len）的缓存表示
9. BufferSpace：用于管理Buffer，包含一个Buffer的map，角色类似OnodeSpace

Collection与bluestore_cnode_t, Onode与bluestore_onode_t的关系类似于Linux文件系统中内存inode与磁盘inode的关系

下面的UML类图展示了上述对象之间的关系：

OSD启动时，Bluestore会创建多个Cache实例，之后从db加载Collection到内存中时，通过cid % shard_num模与Cache关联，所有的Collection常驻内存，通过一个map来管理；每个Collection包含一个Cache指针，一个元数据对象bluestore_cnode_t以及一个OnodeSpace类型的onode_map变量，这个变量包含与Collection相同的Cache实例以及一个Onode的unorderd_map对象（这个unorderd_map应该是用来加速查找的，因为Cache可能被多个Collection共享，通过每个OnodeSpace中的专属结构来管理本Collection的Onode，可以提升效率）。

Ceph中的对象元数据（这里说的元数据是指数据元数据，对象属性通过ObjectMap来管理）通过Onode来管理，包含对象的id以及一个ExtentMap结构来表示对象的数据偏移及长度信息，每个Extent表示逻辑上连续的数据片段，通过<offset, len>来标识；由于一段逻辑数据在物理上可能不连续，可能对应多个物理存储区bluestore_pextent_t， 为便于管理引入了Blob，它是bluestore_pextent_t的集合（PExtentVector），Blob还是Ceph中的数据共享单位，快照克隆的时候，共享数据通过更新引用计数即可，不需要磁盘拷贝。

Bluestore提供了LRU cache 和 2Q cache两种缓存机制，默认采用2Q cache。LRUCache，淘汰最近最少使用的item，采用list来实现，Onode和Buffer各占用一个队列；TwoQCache，针对Onode和Buffer采用不同的处理方式，其中Onode缓存采用LRU实现，而Buffer将整个缓存空间分为三部分，使用三个队列，分别称为hot，warm_in，warm_out来管理，新加入的数据加入到warm_in队列，再次访问的数据加入到hot队列，warm_in中的冷数据向移到warm_out队列，另外TwoQCache充分利用局部性原理，加入对象时会根据offset匹配前后的对象，将新对象加入到临近对象的前面。下图是LRU和2Q缓存的一个示例说明：

缓存管理

缓存系统的基本操作包括CRUD四种，Cache主要提供了：add（C），touch(U)，rm（D），trim（D）四个方法，OnodeSpace或者BufferSpace提供了：add（C），rename（U），lookup（R），discard （U），remove（D）四个方法， 可以想到OnodeSpace和BufferSpace实现了一部分业务语义：

add方法：包括Onode和Buffer两部分，就Onode而言：LRUCache和TwoQCache采用相同的策略，如果对象已经在缓存中，则直接返回，否则将Onode加入到OnodeSpace的onode_map中并插入到cache的onode队列的头部；对于Buffer：LRUCache采用与Onode相同的策略，将对象插入到cache的buffer队列的头部，而TwoQCache维护了三个队列，根据热度属性将对象分别添加到hot，warm_in，warm_out队列。
lookup方法：用来从OnodeSpace的onode_map中查找对象，如果找到则通过touch方法将对象提升到cache的onode队列的头部，需要注意的是TwoQCache中，只有hot队列中的队列才会提升到cache的头部。
rm方法：包括Onode和Buffer两部分，就Onode而已：LRUCache和TwoQCache采用相同的策略，将对象从队列中删除，将对象从OnodeSpace的onode_map中删除；对于Buffer：LRUCache采用与Onode相同的策略，将对象从队列中删除，TwoQCache则将对象从hot，warm_in，warm_out之一中移除。
trim方法：根据需要保留的onode_max以及buffer_max清理缓存，包括Onode和Buffer两部分，基本上就是简单的将对象从队列中移除，TwoQCache对Buffer的处理有些许不同：它根据各队列的数据空间占比（ratio）来计算每个队列需要移除的对象。
rename方法：处理对象的重命名操作。
discard方法：淘汰给定区间的缓存对象。

缓存的使用

下文从缓存初始化，读IO和写IO三个方面来分析Bluestore cache的使用。

1. 缓存的初始化
   1）OSD init初始化时 Bluestore根据设置的shard_num, cache_type创建cache实例
   2）Bluestore mount时从db加载Collection，通过cid与 shard_num取模关联特定的cache实例，Blustore通过一个map来管理内存中的Collection。
2. 读io缓存使用
   1）Bluestore收到读请求后，从cache中获取对象的onode（包含extent信息），并且将onode移到队列的头部
   2）如果上述获取的onode的extent中不全部包含<offset, len>所需要的信息，则从db中加载缺失部分的extent
   3）根据<offset, len>从cache中读取缓存数据，并将命中的数据移到队列头部
   4）对于不在缓存中的数据则从后端磁盘上读取，如果启用了bufferIO，则将数据加入到缓存队列头部（warm_in队列）
3. 写io缓存使用
   1）Bluestore收到写请求后，从cache中获取onode或者创建一个onode， 并将onode插入队列的头部
   2）如果上述获取的onode的extent中不全部包含<offset, len>所需要的信息，则从db中加载缺失部分的extent
   3）如果启用了bufferIO，则将数据（如果IO区间有重叠会先从磁盘读取数据做合并）加入到缓存队列的头部
   4）（在执行io前）将缓存元数据（Onode，SharedBlob）持久化到db中(这个过程中，ExtentMap可能需要分片，根据needs_reshard_begin/needs_reshard_end来决定需要reshard的区间)。

步骤3中有几点需要注意：

1. 数据缓存是以Blob单位进行的，
2. 如果和之前的缓存数据有部分重叠，会truncate掉front和tail，如果完全包含则先从cache中删除掉
3. 根据数据的热度属性将对象添加到不同的队列中，新增的数据插入到warm_in队列，如果与之前的数据有重叠，那么加入哪个队列与之前数据的热度属性相关