flashcache的实现与分析

最近，由于项目需要，在做关于flashcache的一些工作，主要涉及模块组织、元数据管理及数据分布、读写流程分析、数据在磁盘和 cache(SSD)之间的调度、缺点及可优化方向等一些方面的分析研究。也想，抽空写一下心得，整理一下最近工作的思路，以弥补自己不善于表达的恶习。 特别是，要深入下去的话，会涉及到整个Linux系统栈的各个层次，从文件系统、磁盘缓存、通用块层、驱动层，以及DM的工作流程（细节），也遇到了很多 问题，像DM层基于split_bio如何做拆分，在拆分中的边界问题等，不可能一下子解决，也趁此机会，记录下心里的困惑。

好了，不啰嗦了，马上开始！还是从源头讲起。。。

 flashcache，是facebook技术团队开发的新开源项目，主要目的是用SSD硬盘来缓存数据以加速MySQL的一个内核模块。可以看到，它最初是用来做数据库加速，但同时，它也被作为通用的缓存模块而设计，能够用于任何搭建在块设备上的应用程序。

工作原理。基于Device Mapper，它将快速的SSD硬盘和普通的硬盘映射成一个 带缓存的逻辑块设备，作为用户操作的接口。用户直接对这个逻辑设备执行读写操作，而不直接对底层的SSD或者普通硬盘操作。如果对底层的这些块设备操作， 那么会失去作为一个整体提供的缓存功能。

内核层次。flashcache，它是通过在文件系统和块设备驱动层中间 增加一缓存层次实现的，这里不得不提到DM层的映射机制。由于DM是作为虚拟的块设备驱动在内核中被注册的，它不是一个真实的设备驱动，不能完成bio的 处理，因此，它主要是基于映射表对bio进行分解、克隆和重映射，然后，bio到达底层真实的设备驱动，启动数据传输。在Device mapper中，引入了target_driver，每个target_driver由target_type类型描述，代表了一类映射，它们分别用来具 体实现块设备的映射过程。通过调用某一target_driver的map方法，来映射从上层分发下来的bio，也即是，找到正确的目标设备，并将bio 转发到目标设备的请求队列，完成操作。flashcache_target就是这样一个新的target_driver（作为一个新的映射类 型，target_type是必须的），以模块化的方式加入到了DM层。

逻辑架构。从源代码层次分析，可以将flashcache分为这个四个模 块，调度模块（也称‘读写模块’）、逻辑处理模块（也称“读写后处理模块”）、底层存储模块、以及后台清理模块，它们都是基于SSD Layout实现的，构建在SSD布局（后面会分析）之上。其中，调度模块，在代码中对应flashcache_map映射函数，它是 flashcache缓存层次数据入口，所以到达逻辑设备的读写请求，最终都会经过DM层的处理，通过flashcache_map进入调度模块。称之为 “调度”，主要是指，接收到数据后，它会根据bio请求的读写类型、是否命中缓存等因素，选择不同的处理分支，如 flashcache_read/write或者flashcache_uncached_io，在read和write中会选择是 flashcache_read_hit/miss还是flashcache_write_hit/miss。经过不同分支的读写，会调用底层存储模块来 完成磁盘或cache的数据读写。逻辑处理模块，在代码中对应flashcache_io_callback，它在调度模块通过底层存储模块执行数据读写 操作完成后回调执行，所以说它是“读写后处理模块”，它是采用状态机实现的，根据调度模块中的读写类型进行后续的处理，如读未命中情况下，磁盘读完成后， 回调到逻辑处理模块，由它负责将从磁盘读取的数据写回到SSD，或者写未命中情况下，写SSD完成后，回调到逻辑处理模块执行元数据的更新，再有就是对调 度模块中读写操作的错误进行处理。底层存储模块，主要提供了两种方式来完成真实的数据读写，一是由DM提供的dm_io函数，它最终还是通过 submit_bio的方式，将由调度模块处理过的bio提交到通用块层，进行转发到真实的设备驱动，完成数据读写；另外，一种方式，kcopyd，是由 内核提供的一种底层拷贝函数，主要负责脏块的写回（从SSD到磁盘），会引起元数据的更新。而后台清理模块，是针对每个set进行数据清理，它会基于两种 策略对脏块做回收：（1）set内脏块超过了阈值；（2）脏块超过了设定的空闲时间，即fallow_delay，一般是15分钟，在15分钟没有被操作 则会被优先回收。要注意的是，并没有单独的线程在后台做定期空闲块回收，必须由IO操作触发，如果长时间没有对某set操作，则其中的脏数据很长期保持， 容易危害数据安全。

数据布局（待补充）。

源代码布局。两个工作队列。结合device mapper代码，特别是dm.c可以知道，在调用flashcache_create工具创建flashcache设备时，会调用 flashcache_ctl函数，执行创建工具，它会创建一工作队列_delay_clean，主要负责对整个cache设备的脏块清理，由 flashcache_clean_set在特定条件下调用（见代码），通过flashcache_clean_all执行对所有sets的扫描与清理。 另外一个工作队列，_kq_xxx(记不清了)，在flashcache_init中，由flashcache模块加载时执行，通过对5个job链表进行 处理，执行元数据的更新与完成处理函数、读磁盘后的SSD写入、以及对等待队列的处理，主要就是负责读写后的处理工作隶属于逻辑处理模块，即“读写后处理 模块”，由磁盘或SSD读写后不同情况下被调度。

调度的时机可以看flashcache_map函数，处理逻辑则主要在函数flashcache_io_callback内部判断，the same block的等待队列是否为空，如果不为空，则同样会调用flashcache_do_handler，执行对等待队列的处理。

数据调度。对读，接收到bio，首先，根据 bio->bi_sector，即硬盘的扇区号，得到SSD上的set。其次，在set内查找是否命中，如果命中，则将硬盘的扇区号转换为SSD的 扇区号，然后将此bio向SSD提交，进行读取；如果未命中，则首先向硬盘驱动提交bio，从硬盘读数据，读取完成后，由回调函数启动回写SSD操作，将 bio的扇区号转换为SSD的=扇区号，然后向SSD驱动程序提交，将硬盘读取的数据写入SSD。对写，同文件系统页缓冲，并不直接写入硬盘，而是写入 SSD，同时，保持一个阀值，一般为20%，在脏块数目达到此数值时，写回磁盘。