深入理解Lustre文件系统-第5篇 LDLM：锁管理者

Lustre锁管理者的基本思想来自于VAXDLM。在我们深入源码理解它如何工作之前，我们需要解释一些基本的概念。

5.1名字空间

我们首先涉及的概念是名字空间。当你请求锁时，你都在请求某个名字空间中的锁，每个Lustre服务都定义了一个名字空间。为了在一个实际的情景中讨论这个问题，假设你的Lustre文件系统有十个OST，从LDLM的观点看，有十个名字空间。另外，MDS和MGS各自有它们的名字空间。Lustre中的名字空间由结构体ldlm_namespace定义。在源码中，对于许多字段有适量的注释，所以我们只聚焦于其中不大显而易见的几个。

类型	字段	描述
ldlm_side_t	ns_client	这是否是一个客户端锁树？
struct list_head	*ns_has	在本名词空间中所有资源的哈希表
__u32	ns_refcount	在本名词空间中的资源数
struct list_head	ns_list_chain	所有名字空间的环状链表
struct list_head	ns_unused_list	未上锁的资源
int	ns_nr_unused	未使用的资源数
atomic_t	ns_locks	本名字空间中的锁数目
__u64	ns_resources	本名字空间中的资源数
ldlm_res_policy	ns_policy	请求一个意图锁时的回调函数

Figure 7: The fields of ldlmnamespace data structure.

对于ns_client还有一些需要注意的地方：每个客户端只需要访问一个名字空间中的一部分，而不是所有。所以，每个客户端都使用一个所谓的影子名字空间（shadow namespace）。ns_client标识着这个名字空间是一个仅供客户端使用的名字空间，并不完整（参看Figure 8）。ns_hash是一个在这名字空间中的所有资源的哈希表。注意，这只是一个指向链表的指针，而不是链表本身。

5.2 资源

锁是用来保护资源的。在Lustre中，最常见的资源就是文件。本地锁就是指私有的只被本地实体所知的锁。对应的，全局锁就是对他人可见的锁。注意这里的“全局”可能是与其字面意义不符——它并不表明锁被广播至为所有实体所知。在Lustre中，它意味着你保存了一个锁的客户端复本，而服务器也可以通过客户端请求取得一个复本。

所有资源都定义在ldml_resource结构体中。关于这个结构体的一些要点在下面讨论。

struct ldlm_namespace *lr_namespace指回这个资源所属的名字空间。如果资源是一个对象ID（oid），那么它的名字空间是所对应的OST。如果它是fid，那么它的名字空间由MDS定义。

struct list_head lr_granted, lr_converting, lr_waiting这里定义了三个链表来对各种的锁和它们的状态进行归类，这些锁请求都对是当前的资源发出的。批准链表（granted list）是已经准许在该资源上使用的所有锁。等待链表（Waiting list）是正在请求该资源，但是由于冲突而需要等待所有锁。转换链表（Converting list）是处在转换状态所有锁。

struct ldlm_res_id lr_name资源的名字定义在一个结构体中，该结构体是4*64比特长的标识符。所有类型的资源，不管是fid还是oid，都要转换成这种格式，作为它们的一般性的资源名。

5.3 锁类型和模式

一个锁有其类型和模式。首先，我们探讨模式。存在六种锁模式，并且使用一个兼容性矩阵来标示两个锁是否兼容。六种模式如下：

• EX独占模式（Exclusive mode）。在新文件创建前，MDS请求对父亲上EX锁。

• PW保护写模式（Protective Write（正常写）mode）。当客户端从OST中请求写入，将分配一个PW模式的锁。

• CW并行写模式（Concurrent Write mode）。如果客户端在文件打开操作期间请求写锁，MDS将批准该模式的锁。

• CR并行读模式（Concurrent Read mode）。如果客户端执行路径查找，MDS将对中间（intermediate）路径部件批准一个CR模式inodebit类型的锁。

• NL空模式（Null mode）。

相应的矩阵如Figure 9所示。

在Lustre中定义了四类锁，使用哪一类取决于客户端决定请求哪一类锁。从锁管理者中请求锁的部件是客户端，客户端可能是Lustre Lite、OSC或者MDC。这四类锁在下面给出。

extent锁用来保护OST数据，由ldlm_extent结构体定义。

flock用来协助用户空间请求flock，由ldlm_flock结构体定义。

索引节点比特锁（inode bit lock）用来保护元数据属性，由ldlm_inodebits结构体定义。

plain锁已被定义了，但是不被使用，可以忽略

5.4 回调

与锁请求相关的另一个概念是回调函数。当创建锁时，客户端能提供三种回调：

阻塞型回调（blocking callback）。这种回调被调用的情况有两种。第一种是有客户端请求一个与当前锁相冲突的锁（即使请求发自同一个客户端），那么这个回调被调用，所以如果客户端为人友好，而这个锁又没用了，它可以释放锁，让他人使用。第二种情况是当锁被撤销时（在所有的引用都撤销了，而锁也被撤销之后）。

完成型回调（completion callback）。这种回调被调用也有两种可能。第一种，锁请求被批准。第二种，锁被转化了，例如转化为另一种模式的锁。

惊鸿一瞥型回调（glimpse callback）。这种回调用来提供某些基本性质的信息，而不用实际上释放锁。例如，由于只有OST知道文件对象的确切大小，OST可以提供一个取得文件大小信息的回调。然后，回调将与文件对象上的extent锁相关联，并由服务端在接收到客户端请求时调用。

5.5 意图

意图是在锁入队列（enqueue）时，提供的一些数据，用来表明在锁入队列过程中需要做的特殊处理，而数据本身则是做该处理的参数。名字空间可以为这个处理定义不同的意图处理函数（intent handler）。

意图的特性允许了调用namei，也允许了传递一些关于它们最终想实现什么的信息的前瞻（lookup）。意图的网络效应是减少了与MDS交互时的RPC数目。

意图的定义如下所示（inode.h）：

struct intent {

unsigned int_opmask;

void * int_arg1;

void * int_arg2;

};

定义了六种意图操作（编码在int_opmask中），包括：取得属性、设置属性、插入或删除、打开、创建和读链接。

5.6 锁管理者

现在，让我们给出在Lustre中锁算法（由锁管理者完成）如何工作的一般性描述。进入Lustre分布式锁管理者（Lustre Distributed LockManager, LDLM）的入口，会根据Lustre版本的不同而改变，我们参考的是1.6分支的源码。LDLM所能提供的两种主要类型的服务是：第一种，是请求锁；第二种，是撤销锁。

5.6.1请求锁

1.对于锁服务客户端，不管是Lustre客户端、MDS还是OST，通常以调用ldlm_cli_enqueue()开始。该函数首先通过检查名字空间结构体中的ns_client标志来考查锁请求是否属于本地名字空间。记住，每个LDLM实例都定义了各自的名字空间。如果是本地的，这意味着我们不需要发送RPC来通信，只需跳转到7；否则，我们继续远程处理锁。

2. 如果锁请求是非本地的，那么我们需要向运行LDLM的服务器发送锁入队列RPC；这是在ldlm_cli_enqueue()里完成的。在服务器端，ldlm_handle_enqueue()首先解包锁请求，然后创建一个锁（ldlm_lock_create()）。这个锁只是一个从原始锁请求中填充了一些字段的初始锁，暂未被批准。你可以通过如下方法判断一个锁是否被批准：

if(lock->req_mode == lock->granted_mode) { /* granted */

...

}

现在我们进入下一步，看看锁是否能被批准，而哪些锁又应当被批准。

3. ldlm_lock_enqueue()是批准锁的核心步骤。它检查是否设置了锁意图。如果没有设置意图，则检查锁的类型，并调用该类型定义的策略函数。策略函数将决定锁请求是否被批准。

如果设置了锁意图，跳到第6步。

4. 对于锁所请求的资源，需要检查如下两个条件：

• 是否存在和已批准的锁之间的冲突？

• 是否存在和等待锁之间的冲突？

如果两个判断的回答都是不，那么就没找到冲突，而锁可以被批准。调用完成AST（completionAST），返回被批准的锁，而我们就完事啦。否则，继续。

5. 对每个冲突的锁，我们需要调用阻塞AST（blocking AST）。阻塞AST检查到如果锁由服务器占有，则设置一个标志。如果锁由客户端占有，则需要发送一个阻塞RPC请求。不管哪种情况，在所有这些都完成后，将新的锁请求放入等待链接，然后返回状态为阻塞的锁。

稍后将给出更具细节的策略函数实现。

6. 如果锁意图已经设置了，那么所有需要做的事实调用意图处理函数。这里关键之处是LDLM并不解释意图。那些以意图来互相通信的实体才解释意图。例如，MDS需要注册它的意图处理函数，而OST需要注册它的意图处理函数。一般地，意图处理函数是通过调用ldlm_register_intent()来按名字空间注册的。LDLM负责调用它们。意图处理函数决定锁是否可以被批准。LDLM只是返回它们的裁决而已。

7. 对于本地锁请求，它进入一个不同的分支ldlm_cli_enqueue_local()，在这种情况下，它不需要再发送RPC了。它需要通过如上所述的两步：首先创建一个锁，然后调用ldlm_lock_enqueue()来检查这个锁是否可以被批准。如果锁被批准或者出现了错误，则对应地标记锁并立即返回。否则，锁请求被阻塞，需要等待它。

请注意，服务器（即MDS或者OST）可以通过直接调用ldlm_cli_enqueue_local()来初始化一个锁请求，因为他们知道锁必然是被本地LDLM服务器占有。

5.6.1撤销锁

锁通常是被非自愿地释放的，占有者会尽可能地长时间占有锁，直到：某人在请求一个与之冲突的锁，LDLM发出一个阻塞AST，从而引发LDLM客户端调用阻塞AST处理函数。现在，我们进入撤销过程。在撤销过程中，锁里有三个相关的计数器。可以列为：(1)活跃的读的数目，(2)活跃的写的数目，和(3)用户数目。

1. 撤销锁的入口是ldlm_cli_cancel()。这个函数首先检查活跃的读和活跃的写的总和是否为零。如果不是，则意味着在同一个客户端的另一个进程在使用该锁，所以，不做任何事情。最终，其他的客户端将释放锁，通过同样的源码路径，到达这个检查点，然后进入下一步。

2. 现在，在读和写数总和为零时，我们调用阻塞AST，其中设置了一个标志，表明锁被撤销了。

3. 检查锁时否处于本地名字空间中。如果不是，发送撤销RPC到客户端（Lustre客户端）。如果是，服务器端调用ldlm_handle_cancel()来撤销锁。

撤销操作实质上牵涉到将锁从所有身处的链表中移除（谨慎怀疑原文的of应为off——译者注），例如批准链表、等待链表等等。接着，将调用obd_cancel()，并不是来撤销锁，而只是撤销对读和写计数的引用。

4. 现在锁已经被撤销了，服务器能过重新处理所有等待该资源的锁。实际上，这与确认它们的锁请求是否可以被批准，所经过的逻辑是一样的。

5. 如果一个等待的锁请求可以被批准，则将它移至批准锁链表，然后调用完成AST。

5.6.2策略函数

正如我们在请求锁一节（4.6.1）所提及的，策略函数是用来根据锁类型，决定请求锁是否和已有请求冲突的函数。我们有四种锁类型：inodebits、extent、flock和plain。所以我们需要四个策略函数。它们的整体流程类似，只有一些微小变化。在此节中，我们给出对整体流程的整体描述。

1. 给出了两个参数、锁请求和一个first_enq标志。这个标识是用来标志我们是否第一次进行入队列请求。如果是第一次，需要处理请求链表，并在需要的时候发送阻塞AST。如果不是第一次，我们已经在先前发送了阻塞AST，所以不需要再发送了。

关于first_enq参数的另外一个重要的事情是：当它没有被设置时（这意味着我们正在再次处理已在等待链表中的锁），在我们在链表中找到自己的先前入口后，就停止处理。由于之后的锁时在稍后时间里入队的，所以可以安全地将他们忽略。

2. 策略函数调用了一个帮助函数来做实际工作，向它传递的参数包括锁链表、入队标志和RPC链表（要么是NULL要么是一个空链表）。第一次时，帮助函数以批准队列为参数被调用。对链表中的每个锁，执行如下的冲突检测：

(a) 通常以模式检查作为开始。如果两种锁是可兼容的（参考前面章节中的兼容矩阵），那么不要进一步的检查了，锁可以被批准。如果锁是不兼容的，我们才继续，锁类型不应当是plain类型的，因为plian锁并没有实际使用。

(b) 对于extent类型锁，如果间隔或者范围并未交叉，那么并不存在冲突。但是在分条大小的限制之内，LDLM经常尝试尽其所能地批准最大的extent，目的是减少客户端将来为要求更多的锁而产生的请求。

(c) 对于inodebits类型锁，如果请求的比特（Lustre里有一个64比特的空间，但是只用了3个）重叠了，那么存在冲突。

如果RPC链表为空，我们终止，并在发现第一个冲突之后立即返回。因为通过传递NULL，我们得到了所有调用者所需的信息。

如果PRC链表不为空，我们需要继续检查余下的锁，并将冲突锁加入到RPC链表中。

3. 如果没有发现冲突，那么锁被批准。否则，对每个RPC链表中的锁，我们调用阻塞AST。

4. 如果设置了首次入队列标志，那么回到第2步，但是此时，我们调用帮助函数时，锁链表则设置为等待链表，而不是批准链表。

5.7 使用情形

在这一节中，我们运用实例给出处理锁请求的高层概览。

MDS：一个客户端读

让我们假设客户端C1想要打开文件/d1/d2/foo.txt来读。在VFS路径查找过程中，将会调用Lustre特有的查找流程（参看Lustre Lite一节的细节）。第一个RPC请求是包含查找意图的锁入队列请求。为对d1上锁，这个请求发送到MDS。第二个RPC请求也是发送到MDS的，请求以inodebits锁锁住d2的，包含查找意图的锁入队列请求。返回的锁是一个inodebits锁，而它的资源可以用的d1和d2的fid表示。

这里需要注意的细节是，当我们请求锁时，对于我们请求的锁，我们一般需要资源ID。但是，在这种情况下，由于我们不知道d1的资源ID，我们实际对它的父亲“/”请求上锁，而不是d1本身。在意图中，我们指定它为一个查找意图，而查找的名字为d1。然后，当锁被返回时，锁是对d1上的。这个锁是（或者说，可能是）与客户端请求的锁有所不同的，客户端察觉了这种不同，并将旧的请求的锁替换为新的返回的锁。

第三个RPC请求是一个包含打开意图的lock_enqueue，但是并不请求对foo.txt上锁。这样，你能打开并读取一个文件，而不用从MDS上锁，因为其内容是由OST提供的。从OST请求锁有些不同，这将在稍后讨论。

换句话说，在打开过程中发生的事情是：我们发送了一个lock_request，亦即我们确实向LDLM服务器中请求了一个锁。但是在意图数据本身里，我们可能（也有可能不）设置一个特别的标志，如果我们实际上是对回收到的锁感兴趣。而意图处理函数决定（根据这个标识）是否返回这个锁。

如果foo.txt在先前已经存在了，那么将返回它的fid、索引节点上下文（拥有者、组、模式、创建时间、访问时间、修改时间、链接数等）和分条信息。

如果客户端C1以O_CREAT标志打开文件，而文件又不存在，那么第三个RPC请求将以包含打开和创建意图的方式发送，但是仍然不会有锁请求。现在在MDS端，为了在d2目录下创建一个foo.txt文件，MDS将要通过LDLM来对其父文件夹请求另外一个EX锁。注意这是一个和先前对d2上的CR锁相冲突的锁请求。在正常的情况下，第四个RPC请求（阻塞AST）将返回客户端C1或者其他占有了冲突锁的其他人，告知客户端某人正在请求一个冲突的锁，并向其请求一个锁撤销。MDS等待，直到得到一个客户端发来的撤销RPC后。只有等MDS得到先前请求的EX锁之后，才能继续。

如果客户端C1以LOV_DELAY标志打开文件，MDS如常创建文件，但是并不会分条，也不会分配对象。用户将调用ioctl调用，设置分条信息，然后MDS将填充EA结构体。

MDS：两个客户端

如果C1想要在文件夹/d1/d2下创建一个文件foo.txt，那么不会对foo.txt请求上锁，而是请求对d2上锁，该锁一个意图，意图中告知MDS“打开并创建”文件foo.txt，并有可能告知MDS返回对该文件的锁。

通过意图，得到了一个对foo.txt所上的CW锁。现在C2插入一脚，想要在/d1/d2下创建一个新文件夹d3。在此时，as far as the CW lock isconcerned（？），不会有任何的变化。

OST：两个客户端读和写

在MDS填充EA结构体后，客户端拿到了文件句柄和分条信息。客户端能够与OST进行交流了。假设有四个OST和两个客户端。客户端C1读取文件A，而第二个客户端C2写入文件A。我们进一步假设C1想要读取数据对象，A1、A2、A3和A4。

首先，客户端C1并行地向OST发送锁入队列请求1到4，请求已设置意图标志的读锁。这意味着，如果客户端C请求的任意一个对象，有阻塞请求，就不会尝试去取得锁，而是返回由称为lvb（Lustre ValueBlock）的数据结构所描述的信息（文件大小，修改时间等）（锁请求是惊鸿一瞥型，因为它设置了意图标志）。

如果不存在冲突，客户端将被批准对整个文件对象们上锁，锁的模式为PR。现在客户端占有了对四个OST文件对象的四个读锁。让我们进一步假设客户端仅想读取A1。由于它已经占有了锁，它可以接着读取之。

假设C2正在写入OST3。OST3不会返回一个PR锁，而是与C2联系，请求lvb信息。它可能以这种方式返回C1：“我没有处理你对A3上的锁，但是你看这是那个对象的状态”。

这仅是为了确定文件大小才做的，而我们需要知道文件大小，比如，我们正在尝试读取超出文件大小的部分。如果要读的内容刚好落在你已经占有了PR锁的对象上，那么不需要再发送更多的请求锁的RPC了。

现在如果客户端要读的内容在A3上，那么它别无选择，只好发送一个对OST3上锁的请求（此时不再包含意图）。在请求本身里，客户端客户端还应当讲清它请求对哪个extent上锁。如果它请求上锁的extent，不与C2占有的PW写锁相冲突（交叉读），那么读锁请求将被立即批准。

如果存在冲突，那么OST3将回复C1，告知锁请求不被批准；同时，它将向C2发送一个阻塞请求。从C2的观点看，有两种情况：

1. 如果write()系统调用已完成，即意味着所有的数据都已写入某个缓冲（也许还未写入磁盘），那么缓冲中将会设置脏标志。这种情况下，客户端将所有的脏缓冲刷新，这一操作有可能通过一个或者多个块写（bulk write）完成。然后，它通过向OST3发送取消RPC来释放锁（锁引用数现在是零）。

2. 如果write()仍然正在进行当中，那么系统调用未返回。此时，锁引用数非零，而阻塞AST将不会到达锁逻辑。只有在写系统调用结束后（这实际意味着两件事：第一，数据都保存在高速缓存中；第二，锁引用数减少到零），才能够进入上述步骤。

在OST3接到C2发来的取消请求后，它将向客户端C1发送一个完成AST，告知它的锁请求被批准了。

我们不再介绍两个客户端都读的情况，这种情况太普通，因为即使它们的extent交叉了，它们都能得到PR锁。

如果一个客户端并不愿意做好人，不愿意合作地释放它占有的锁，那么当向他发送一个阻塞AST的时候，将开启一个计时器。如果客户端不释放锁，并且在计时耗尽期间在该锁上没有正在进行的I/O，那么客户端将被驱逐。但是，如果存在正在进行的I/O，那么每个I/O RPC都会使得计时时间延长。

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